ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 1, с. 49-65
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРКОТИКОСОДЕРЖАЩЕЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ © 2014 г. В. П. Седельников*, Е. Л. Лукашевич, О. А. Карпухина
ОАО "Научно-исследовательский и производственный центр "Природа", Москва
*Е-таИ: priroda@dol.ru Поступила в редакцию 14.10.2013 г.
В статье приведены характеристики экспериментального образца гиперспектрального видеоспектрометра "Сокол-ГЦП" и представлены примеры гиперспектральных данных, полученных в результате летных испытаний. Рассмотрены результаты выявления наркотикосодержащей растительности по спектральным признакам с использованием полученной гиперспектральной информации. Подтверждена возможность использования гиперспектральных данных для обнаружения участков произрастания конопли и мака, в том числе - в смешанных посевах с маскирующей растительностью.
Ключевые слова: экспериментальный образец бортового гиперспектрального видеоспектрометра "Сокол-ГЦП", гиперспектральная информация, летные испытания, наркотикосодержащая растительность, маскирующая растительность, спектральные образы, классификация гиперспектральных данных
Б01: 10.7868/80205961414010072
ВВЕДЕНИЕ
25 июня 2013 г. в России был осуществлен запуск космического аппарата (КА) "Ресурс-П" № 1 космического комплекса "Ресурс-П", предназначенного для исследования природных ресурсов Земли. В состав целевой аппаратуры КА "Ресурс-П" вошла гиперспектральная съемочная аппаратура (ГСА), разработанная ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева" (ОАО "КМЗ"), прообразом которой стал экспериментальный образец бортового гиперспектрального видеоспектрометра (БВС) "Со-кол-ГЦП", созданный ОАО "КМЗ" по техническому заданию ФГУП "Госцентр "Природа" в 2007 г.
Экспериментальный образец БВС "Сокол-ГЦП" создавался в рамках ФЦП "Комплексные меры противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на 2005—2009 гг." и предназначался для дистанционного выявления несанкционированных посевов и площадей дикорастущих наркотикосодержащих растений, распространенных на территории России (конопли и мака), на фоне травяной и травяно-кустарниковой ("маскирующей") растительности.
Исследования, выполненные в 2002-2004 гг. во ФГУП "Госцентр "Природа" (ныне - ОАО "НИиП центр "Природа") в рамках Федеральной целевой программы "Комплексные меры противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на период 2002-2004 гг.", показали недо-
статочную эффективность применения для выявления наркотикосодержащей растительности (НСР) только стандартных средств дистанционного наблюдения - аэрофотосъемки в широком оптическом диапазоне. Опыт работ по выделению НСР с использованием материалов многозональной съемки сканером "Агрос" подтвердил, что лучшие результаты могут быть достигнуты при использовании достаточно узких спектральных диапазонов.
В связи с этим в качестве современной аппаратуры для решения задач выделения НСР была выбрана аппаратура видеоспектрометрического класса, обеспечивающая высокое спектральное разрешение, и, таким образом, позволяющая использовать спектральные признаки в ряду основных дешифровочных признаков в процессе дистанционного выявления участков распространения НСР.
В основу формирования требуемых тактико-технических характеристик видеоспектрометра легли данные трехлетних полевых спектрометрических измерений коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) НСР и маскирующей растительности, выполненные на Пензенском тестовом участке. Исследования полученных КСЯ показали, что для выявления НСР необходимо выполнять гиперспектральную аэросъемку со спектральным разрешением не хуже 5 нм в опти-
4
49
ческом диапазоне и не хуже 10 нм — в ближнем ИК-диапазоне. Для выявления несанкционированных посевов конопли и мака (как правило, небольшой площади в посевах маскирующих с.-х. культур) пространственное разрешение гиперспектральных данных должно быть 1 м и лучше (Лукашевич и др., 2007). Анализ данных, полученных авиационным гиперспектрометром НТЦ "Реагент" в 2006 г. на Пензенский тестовый участок, подтвердил возможность и эффективность использования гиперспектральной информации высокого спектрального и пространственного разрешения для выделения НСР по спектральным признакам (Балтер и др., 2007; Карпухина и др., 2007).
Тактико-технические требования (ТТТ) на БВС "Сокол-ГЦП" были разработаны с учетом полного технологического цикла получения, обработки и представления оперативной спектральной информации, включая процесс калибровки аппаратуры, нормализации спектральных данных, географической и временной привязки изображения, получения потока данных, совместимых с существующими программными комплексами обработки гиперспектральных данных.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ОБРАЗЕЦ БВС "СОКОЛ-ГЦП"
Созданный экспериментальный образец БВС "Сокол-ГЦП" включает в себя: камеру оптико-электронную КОЭ-1.0; устройство спектральной калибровки (УС К); комплект жгутов и перемычек; блок питания БП-1.0; ПППЭВМ (ноутбук) TS STRONG@ MASTER 7020T; модуль приемо-измерительный ГЛОНАСС/GPS с антенной.
Заложенное схемотехническое решение БВС реализует:
— получение "одномерного" изображения местности в режиме электронного сканирования;
— разложение в спектр "одномерного" изображения местности по координате направления полета носителя;
— проектирование спектра изображения местности на матричный ПЗС-приемник и его регистрацию с частотой кадров, пропорциональной скорости полета и уровню пространственного разрешения.
Основные параметры экспериментального образца БВС "Сокол-ГЦП" приведены в таблице. Для горизонтирования камеры, обеспечения азимутальной стабилизации, амортизации и частичного устранения вибрации, в процессе выполнения аэросъемочных работ оптико-электронная камера КОЭ-1.0 монтируется на аэрофотоуста-новку (АФУС).
ЛЕТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ОПЫТНАЯ АЭРОСЪЕМКА БВС "СОКОЛ-ГЦП"
В июне—августе 2008 г. были успешно проведены летные испытания экспериментального образца БВС "Сокол-ГЦП", установленного на борт самолета Ан-2, на тестовых участках с посевами НСР и специально созданными эталонными участками (растительными мирами) в Лунинском р-не Пензенской обл. (этапы 1 и 2 летных испытаний) и Краснодарском крае (этап 3). Летные испытания (ЛИ) выполнялись совместно с разработчиком аппаратуры ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева" и ОАО "Открытое небо+".
Растительная мира (РМ) — это система делянок размером 10 х 10 м, засеянных различными видами НСР и маскирующей растительности и разделенных распаханными полосами земли. Делянки растительной миры, созданной с целью измерения спектральных характеристик и создания спектральных библиотек высеянной растительности, использовались в качестве эталонных (обучающих) образов при обработке гиперспектральных данных. РМ с НСР и маскирующей растительностью создавались по техническому заданию ФГУП Госцентр "Природа" для изучения спектральных отражательных характеристик НСР и маскирующей растительности (Ишмура-това и др., 2007) в 2008-2009 гг. Пензенским НИИ сельского хозяйства (рис. 1) и в 2008 г. — Краснодарским НИИ сельского хозяйства.
Основные цели ЛИ:
— проверка работоспособности аппаратуры БВС "Сокол-ГЦП" на борту летательного средства (этап 1 ЛИ);
— подтверждение соответствия реальных технических характеристик, полученных в условиях полета, параметрам, указанным в ТЗ (этапы 2 и 3 ЛИ);
— аттестация БВС "Сокол-ГЦП" в составе бортового авиационно-технического комплекса (БАТК);
— получение материалов гиперспектральной аэросъемки для оценки возможности использования существующих методик специальной обработки гиперспектральной информации в целях выделения НСР.
На первом этапе летных испытаний (26—28 июня 2008 е) проводилась маршрутная аэросъемка БВС "Сокол-ГЦП" на высотах 1000, 500 и 250 м со скоростью самолета от 140 до 160 км/ч в утренние часы.
На рис. 2 представлены изображения, полученные БВС "Сокол-ГЦП" в зеленой, красной и ближней ИК-областях спектра 28 июня с высоты 1000 м в 9 ч 48 мин.
На втором этапе ЛИ (23—24 июля 2008 г.) состав аэросъемочной аппаратуры был дополнен малогабаритным комплексом цифровой аэро-
Основные параметры БВС "Сокол-ГЦП"
Наименование параметра Значение
Спектральное разрешение, нм: — в диапазоне 530—800 нм — в диапазоне 800—1000 нм <4.6 <7.1
Рабочий спектральный диапазон, нм 530 ± 15 — 1000—50
Разрешение (размер проекции пиксела при базовой высоте полета H = 1.0 км, съемке в надир и W/H < 0.045 с-1) не более, м 1.0
Полоса захвата БВС-1.0 (при базовой высоте Н = 1.0 км и съемке в надир) не менее, км 0.5
Поле зрения БВС не менее, угл. град Несимметрия поля зрения КОЭ, угл. град 28 <0.5
Максимальное значение кадровой частоты, Гц 39 (до 50)
Число эффективных элементов Две секции 1040 х 580 элементов
Размер элемента, мкм 16 х 16
Размер рабочей зоны (кадра) ФПЗС не менее 200х1000
Динамический диапазон не менее 5000
Отношение сигнал-шум на верхней границе динамического диапазона входного сигнала >165
Нелинейность градуировочной характеристики в диапазоне входного сигнала, % 1.3
Неравномерность сигнала при визировании равнояркой поверхности (с коррекцией неравномерности светораспределения и неоднородности чувствительности), % <10
Скорость поступления информации, Мбайт/с -7.7
Разрядность представления информации, бит 14
Энергопотребление не более, Вт <250
Напряжение питания, В: — постоянное — переменное с частотой 400 Гц 27±3 115 ±15
Масса летного комплекта БВС, кг 43.0
съемки (МКЦС-2) (разработки ООО "Открытое небо+") для выполнения геометрических преобразований изображений, получаемых БВС "Со-кол-ГЦП". В целях получения экспериментальных данных по спектральному распределению солнечного излучения на территории РМ дополнительно выкладывалась контрастная мира - белый фотофон размером 2.5 х 2.5 м (поверхность, близкая по свойствам к идеально рассеивающей).
В течение второго этапа выполнялась маршрутная и площадная аэросъемка синхронно БВС "Сокол-ГЦП" и МКЦС-2 (рис. 3) с высоты 1000 м при путевой скорости самолета 140 км/ч. Маршрутная съемка выполнялась в утреннее и послеполуденное время. В послепол
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.