научная статья по теме ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРКОТИКОСОДЕРЖАЩЕЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ НАРКОТИКОСОДЕРЖАЩЕЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»