Комплексное использование аэрокосмических снимков и спутниковых технологий для целей городского кадастра

Размещено на http://www.allbest.ru/

52

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. РОЛЬ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

1.1 Задачи, решаемые с помощью аэрокосмических снимков в целях городского кадастра

1.2 Состояние и перспективы развития аэрокосмических съемочных систем

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

2.1 Общие сведения о глобальной навигационной спутниковой системе

2.2 Состав глобальной навигационной спутниковой сети

2.3 Методы определения местоположения объектов

3. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЭРОФОТОСНИМКОВ И GPS - ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

3.1 Создание с помощью глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования координатной основы

3.2 Определение элементов внешнего ориентирования аэрофотоснимков на борту летательного аппарата

3.3 Планово - высотная привязка аэрофотоснимков

3.4 Совместное применение ГНСС и аэрофотосъемки на современном этапе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КООРДИНАТНОЙ основы

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа содержит 105 страниц, 23 рисунка, 1 таблица, 30 использованных источников и 1 приложение.

СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЯ, ГЛОНАСС, ИНТЕГРАЛЬНЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ GPS-АЛГОРИТМЫ, ГОРОДСКОЙ КАДАСТР, ГЕОПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ АЭРОФОТОСНИМКОВ

Объект исследования - информационные материалы аэрокосмических съемочных систем.

Цель работы - обобщении и анализе информационных материалов по принципам построения и функционирования аэрокосмических съемочных систем и глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования для целей городского кадастра.

В процессе работы поставленные задачи решались с применением методов: описательной статистики, аналитического, экономико-математического, графического, программного.

В результате исследования раскрыта роль аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра, проанализированы задачи, решаемые с помощью аэрокосмических снимков, состояние и перспективы развития аэрокосмических съемочных систем.

Область применения: в практике работы кадастрового инженера.

Выпускная работа выполнена мной самостоятельно. Все использованные в работе материалы и концепции из опубликованной научной литературы из других источников имеют ссылки на них.

Маринов В.Н. Подпись студента

ВВЕДЕНИЕ

Роль аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра на современном этапе возрастает. Это обусловлено оперативностью получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории; объективностью и документальностью этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности; экономической эффективностью получения информации по материалам аэрокосмических съемок; возможностью регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории, и оперативного внесения изменений обстановки, которые важны и значимы на уровне муниципалитета. Вместе с тем решение задач городского кадастра должно базироваться на достоверной информации об участках местности и их площадях, рельефе местности, учете инфраструктуры объекта, состояния природных и природно-антропогенных ландшафтов.

Спутниковая геодезия - это самый радикальный способ качественно, дешево и быстро удовлетворить нарастающий спрос на определение координат объектов. Высокий спрос на космическую информацию обусловлен бурным развитием вычислительной техники, а также совершенствованием геоинформационных систем, основным источником данных для которых служат результаты дистанционного зондирования. Насущная потребность в материалах космической съемки стала причиной появления целой плеяды съемочных аппаратов со сверхвысоким пространственным разрешением. Точность географической привязки и детальность получаемых изображений позволили формировать на их основе карты и планы крупного масштаба, что ранее было возможно только с использованием аэросъемки.

Основные преимущества перед классическими геодезическими способами определения координат - простота обслуживания, доступность, высокая точность, независимость от погоды, высокая производительность, практически исключаются ошибки, так называемый «человеческий фактор». К тому же на территории Российской Федерации много отдалённых и труднодоступных мест, где довольно затруднительно производить геодезические работы с применением традиционных приборов (тахеометров, теодолитов, нивелиров и т. д.). Эту проблему также можно решить с применением глобальных навигационных спутниковых систем. Основу этого высокотехнологичного производства составляют сегодня две спутниковые группировки: американская GPS (Global Positioning System) и российская ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система).

Объектом исследования являются информационные материалы аэрокосмических съемочных систем.

Предметом работы - совершенствование существующего процесса применения глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования для городских территорий.

Цель данной выпускной квалификационной работы заключается в обобщении и анализе информационных материалов по принципам построения и функционирования аэрокосмических съемочных систем и глобальных спутниковых навигационных систем позиционирования, и вопросам их комплексного применения для целей городского кадастра.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

· исследование теоретических и методологических вопросов аэрокосмической съемки при решении задач городского кадастра;

· рассмотрение общих сведений о глобальных спутниковых навигационных системах позиционирования, а также вопросов их использования на современном этапе;

· проведение анализ комплексного использования аэрофотоснимков и GPS - технологий для целей городского кадастра

· на основе теоретических положений разработать предложения по совершенствованию процесса применения глобальной навигационной спутниковой системы для городских территорий.

Теоретическую основу выпускной квалификационной работы составили Законы Российской Федерации, Указы Президента, Постановления Правительства Российской Федерации, нормативно-правовые акты Федерального агентства кадастра объектов недвижимости, цифровые карты, каталоги геодезических координат опорных точек и др.

Различного рода навигационные алгоритмы были рассмотрены в работах Бажинова И.К., Бартенева В.А., Болдина В.А., Дишеля В.Д., Дмитриева П.П., Иванова Н.Е., Красилыцикова М.Н., Малышева В.В., Перова А.И., Почукаева В.Н., Романова Л.М., Салищева В.А., Тюбалина В.В., Харисова В.Н., Чернявского Г.М., Шебшаевича B.C., Ярлыкова М.С. и ряда других авторов. В этих работах были исследованы вопросы навигации с использованием систем GPS или ГЛОНАСС.

Теоретическое значение выпускной квалификационной работы заключается в том, что решаемая в работе проблема осуществления высокоточной навигации авиационного потребителя по цифровой карте отражает практическую потребность улучшения качества навигационного обслуживания для целей городского кадастра.

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых источников и приложения.



1. РОЛЬ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ГОРОДСКОГО КАДАСТРА

1.1 Задачи, решаемые с помощью аэрокосмических снимков в целях городского кадастра

Решение задач городского кадастра должно базироваться на достоверной информации об участках местности и их площадях, рельефе местности, учете инфраструктуры объекта, состояния природных и природно-антропогенных ландшафтов. Актуальную и многоцелевую информацию об условиях местности можно получить различными методами, в том числе путем аэрокосмических съемок.

Аэросъемка и космическая съемка -- это получение изображений земной поверхности с летательных аппаратов. На воздушных или космических летательных аппаратах устанавливается специальная съемочная аппаратура, с помощью которой регистрируется отраженное объектами или их собственное излучение [1];

В результате регистрации излучения получается изображение, которое может быть представлено в виде фотографических снимков или цифровой записи на магнитном носителе.

Общая схема аэрокосмических съемок показана на рис.1.



Размещено на http://www.allbest.ru/

52

Рисунок 1 - Схема получения первично видеоинформации.

При съемке в отраженных лучах радиационный поток проходит путь от источника излучения до объекта через атмосферу, где проходят его геометрические и, что наиболее важно, энергетические изменения.

В результате взаимодействия с объектом часть радиационного потока отражается в пространство. Отраженный от объектов радиолокационный поток имеет иной спектральный состав, поляризацию и энергию. Характер изменений зависит от химических и физических свойств снимаемых объектов. Поэтому отраженный поток электромагнитного излучения несет сведения о свойствах этих объектов.

На пути от объекта до съемочного устройства отраженное или собственное излучение подвергается искажающим воздействиям атмосферы. Излучение радиодиапазона искажается радиомагнитными помехами.

В съемочных системах происходит регистрация электромагнитного излучения. В качестве приемников излучения служат фотографические пленки, фотоэлектрические и термоэлектрические элементы. Если съемка выполняется с помощью радиосъемочной аппаратуры, то для приема излучения используются антенны.

Материалы съемки поступают на пункты приема. Здесь выполняется фотохимическая обработка фотопленки, изготовляются контактные снимки, визуализируются и тиражируются изображения, передаются по радиоканалу, оценивается качество материалов съемок и передаются потребителю.

Аэрокосмические средства и методы получения информации о местности, объектах и процессах в значительной мере восполняют недостатки контактного способа сбора информации, а в некоторых случаях полностью заменяют его. Некоторые задачи, особенно поискового характера, можно решить только с помощью аэрокосмических съемок.[2];

Неслучайно, аэрокосмическая съемка получила широкое распространение в земельном кадастре, землеустройстве, экологическом мониторинге территорий, сельском хозяйстве, гражданском строительстве, контроле за прибрежными зонами, лесном хозяйстве, картировании, поисках и разведке полезных ископаемых, освоении неиспользованных земель, контроле за ресурсами, почвоведении, топографическом моделировании и др.

Широкое и повсеместное внедрение дистанционных методов позволяет говорить об актуальности рассмотрения вопроса об использовании материалов аэрокосмических съемок в целях городского кадастра.

Аэрокосмические снимки, а также результаты их обработки имеют ряд преимуществ, благодаря которым их применяют для решения многочисленных задач:

- оперативность получения метрической и смысловой информации об изучаемой территории;

- объективность и документальность этой информации, так как при съемке регистрируется фактическое состояние объектов на земной поверхности;

- экономическая эффективность получения информации по материалам аэрокосмических съемок;

- возможность регулярных наблюдений (особенно по материалам космических съемок) за изменениями, происходящими на изучаемой территории.

Основной задачей, решаемой с помощью материалов аэрокосмической съемки в целях городского кадастра является создание базовых карт и планов состояния и использования земель и на их основе получение различных тематических карт, одним из перспективных способов использования снимков, особенно космических, является их применение как одного из видов исходных данных для подготовки градостроительной документации. Таким образом, применение высокодетальных космических снимков при разработке градостроительной документации, особенно документов территориального планирования и зонирования, позволяет, даже при использовании исходных устаревших карт, получить точные и качественные данные, провести корректирование границ территорий и снизить затраты на разработку и последующее корректирование градостроительной документации.[14] Информацию о земельном участке можно получить на публичной кадастровой карте в виде простой схемы либо используя подложку космических снимков.

Рисунок 2 - Фрагмент публичной кадастровой карты г.Вологды.

Базовые карты и планы составляются на территории сельских и городских поселений, районов, а также на регионы. Масштаб их зависит от требуемой точности метрических данных и информационной нагрузки, необходимой при решении поставленной задачи. Базовый планово-картографический материал отражает специфику природных особенностей и хозяйственного развития изучаемых территорий. Тематические карты создаются для более детального отображения специальной информации. Базовые карты и планы составляются в сжатые сроки и на них показывается современное состояние компонентов природно-ресурсного и социально-экономического комплексов. Такие карты называются оперативными или дежурными.

Базовые и тематические карты и планы служат:

- для межевания, инвентаризации и кадастровой оценки земель различного назначения;

- оценки эффективности использования земель городских территорий и других направлений;

- обеспечения получения оперативной земельно-кадастровой информации;

- проектирования перспективного развития территорий поселений, городов, промышленных зон, добычи природных ресурсов и т.п.;

- выполнения проектно-изыскательских работ при проектировании инженерных коммуникаций. Для подобных целей также используют первичные модели. На аэрокосмические снимки, фотосхемы и ортофотопланы могут быть нанесены проектные направления трубопроводов, линий электропередачи и других линейных объектов [4];

- реконструкции и развития дорожной сети;

- выявления и оценки состояния подземных коммуникаций, трубопроводов, линий электропередач, зон подтопления и т. п. При этом информацию получают по материалам нефотографических съемок (тепловых, радиолокационных, лазерных);

- информационного обеспечения планирования и управления земельными ресурсами;

- решения экономических и правовых вопросов, связанных с обеспечением межведомственного взаимодействия при формировании объектов недвижимости, регистрации прав на них и получении сведений об их использовании и состоянии;

- информационной поддержки рынка земли и недвижимости и др.

Развитие фотограмметрии в значительной степени определяется прогрессом вычислительной техники. С повышением мощности вычислительных машин фотограмметрические приборы эволюционировали от механических к аналитическим, от аналитических к цифровым фотограмметрическим станциям (ЦФС). В последние годы наметился переход от получения изображений традиционными пленочными камерами с последующим сканированием негативов к непосредственному получению цифровых снимков в полете.

В последнее время можно отметить устойчивый интерес к данным дистанционного зондирования поверхности Земли. Правда, зачастую, при внимании к этой теме имеют в виду космическую съемку. Между тем имеются и постоянно развиваются мощные технологические средства аэросъемки, которые исторически были созданы гораздо ранее чем средства космической съемки и по прежнему продолжают прочно занимать значительную часть рынка. Связано это с тем, что дистанционные системы космического базирования не всегда обеспечивают необходимую детальность, а иногда оперативность, кроме того следует учитывать жесткие требования к условиям проведения космических наблюдений [30].

В последнее время доступ к аэрокосмическим снимкам стал значительно легче, и техника дистанционного зондирования Земли все шире применяется в Российской экономике.

В настоящее время в качестве авиационных съемочных систем применяются: традиционные аэрофотоаппараты; воздушные лазерные сканеры; цифровые аэрофотоаппараты; аэросъемочные комплексы гиперспектральной съемки.

Отечественные аэрофотоаппараты (АФА) с фокусными расстояниями: 350, 200, 140, 100, 70 миллиметров - это надежные и простые устройства, дающие хорошие результаты при выполнении аэрофотосъемки.

Основным недостатком АФА является малый формат кадра 18х18 см, что приводит при одинаковых параметрах съемки к увеличению съемочного времени и количества отснятых кадров.

Полученные в полете снимки после проявки сканируются на высокоточных фотограмметрических сканерах с разрешением, как правило, не хуже 15 мкм. Учитывая размеры негатива 23Ч23 см (или 18Ч18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000Ч15000 пикселей, или более 200 мегапикселей. К сожалению, в настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приемов при производстве цифровых аэрофотокамер.

В зависимости от формата различают: цифровые камеры среднего формата, цифровые камеры на ПЗС линейках, цифровые камеры "большого" формата на ПЗС матрицах [27].

Простейшим выходом из технологического ограничения на размер светочувствительной матрицы при производстве цифровой аэрофотокамеры является производство камер с максимально возможными по числу элементов матрицами на базе существующих решений.

Таким путем пошла фирма Applanix с камерой DSS (Digital Sensor System). Эта камера имеет ПЗС матрицу размером 4092 x 4077 пикселей и оснащена 80 гигабайтным диском для хранения снимков (плюс 2 сменных 80 гигабайтных диска). Близкой по характеристикам является камера DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) с матрицей 5440 x 4080 пикселей. Эти камеры основаны на известных и хорошо проверенных технологиях фирм KODAK, ROLLEI, PHASE ONE, Applanix и других, снабжаются при поставке системами планирования полетом, системами позиционирования POS/AV. Эти камеры позиционируются производителями как устройства для съемок линейных и небольших по размерам площадных объектов.

Интересным способом получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, а не матрицы. Этот способ широко используется при съемке из космоса. Фирма Leica применила этот способ в цифровой камере ADS40.

Рисунок 3 - Цифровая камера ADS 40

За объективом камеры ADS40 расположены 7 ПЗС линеек - 3 панхроматические, направленные вперед, назад и в надир, и 4 линейки, снимающие в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Линейки имеют размер 12000 пикселей. В отличие от матричных камер, в ADS40, изображение получается за счет сканирования (движения) над местностью. Получаемые сканирующей системой изображения геометрически существенно отличаются как от кадровых систем, так и от космических сканерных систем. Значительные механические возмущения движения носителя, вибрация приводят к необходимости геометрической коррекции изображения перед фотограмметрической обработкой. Отметим, что близкие подходы использованы в цифровых камерах ЦТК-140 и ЦМК-70, разработанных АНО "Космос-НТ" и ИКИ РАН [20].

При использовании цифровых снимков в ЦФС отсутствует необходимость в процедуре опознавания координатных меток и проведении внутреннего ориентирования, т.к. цифровые аэрофотоснимки уже фактически содержат в себе параметры внутреннего ориентирования.

В настоящее время в качестве воздушных лазерных сканеров широко используется семейство аэросъемочных систем лазерного картографирования класса ALTM. Они обладают следующими возможностями:

- фиксация интенсивности отраженного сигнала (возможность работы в ночное время);

- регистрация до 4 отражений одного посланного импульса (возможность разделения верха растительности и поверхности земли);

- самая высокая производительность из коммерчески доступных на сегодняшний день систем лазерного картографирования (например, производительность авиационного лазерного локатора ALTM 3100 - до 1000 кв.км. за один рабочий день);

- интегрируемость с цифровыми камерами, гиперспектральными сенсорами, регистраторами формы волны импульса для получения новых комплексных типов данных;

- возможность использования с приемниками GPS и GPS/GLONASS различных производителей;

- наличие согласованной схемы установки на отечественные летательные аппараты;

- адаптация к российским условиям;

- высокая экономическая эффективность использования в тех условиях, когда применение других методов крайне затруднительно, невозможно или ограничено сезонными факторами (безориентирная местность, сплошная листва, очень «плоский» рельеф и т.д.);

- высокопроизводительное программное обеспечение для предварительной обработки лидарных данных DASHMap со встроенным 3D просмотром для визуализации и вывода XYZI данных;

- навигационное программное обеспечение ALTM-NAV с возможностью использования цифровых моделей рельефа (ЦМР) при планировании, отображением в реальном времени снимаемой территории, с прямым экспортом результатов в Googletm Earth и другие приложения[10]

Осенью 2008 года компания Optech анонсировала ALTM ORION - новый авиационный лазерный сканер, наиболее компактный и легкий на сегодняшний момент (общий объем менее 0,03 куб.м, вес 27кг), с характерными для технологий iFLEX™ компании Optech высокой точностью и производительностью.

Авиационные лазерные сканеры применяются для:

- крупномасштабного топографического картографирования площадных и линейных объектов в масштабах 1:500, 1: 1000, 1:2000 и мельче.

- создания цифровых моделей сложных инженерных объектов, нефтепроводов и газопроводов, технологических площадок, зданий и сооружений и т.п., мониторинг их состояния.

- землеустроительных работ (получение истинного рельефа (поверхность земли) - даже под кронами деревьев (в лесу), построение ЦМР);

- оценки объемов горной выработки, снежной массы, прогнозирования лавинной опасности и т.п.

- мониторинга процессов эрозии береговой линии, прогнозирования зон затопления и т.п.

- обследования ЛЭП и других объектов сетевого хозяйства (в том числе - электрических подстанций), создания 3-х мерных моделей ЛЭП и других объектов в полосе отчуждения, оценки состояния растительности, определения мест возможных замыканий, изготовления фотокарт полосы отчуждения;

- проектирования, строительства и реконструкции линейных и площадных объектов;

- инвентаризации постановки на учет объектов земельно-имущественного комплекса;

- картографирования городских территорий, создания 3-х мерных моделей рельефа, зданий и сооружений, объектов гидрографии и др., моделирования перспективного развития, проектирования и строительства новых объектов, создания ГИС и т.п.;

- выполнения изысканий вдоль трасс проектируемых автомобильных и железных дорог, их строительства и реконструкции, определения объемов земляных работ, технико-экономической экспертизы проектов, кадастра.

- таксации леса, определения объема биомассы, количества деревьев, их распределения по породам и высотам и т.п.

- быстрой и безопасной съемки заповедных территорий;

- экологических исследований, в том числе - мониторинга чрезвычайных ситуаций и др.

- проведения аэротопографических съемок в безориентированной местности (полностью заснеженные территории,тундра, пустыни, песчаные пляжи).

Существуют различные аэросъемоные комплексы, типовым представителем которых является гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 производства канадской компании ITRES. Он представляет собой второе поколение сенсоров этого типа, работает в видимом и ближнем ИК диапазонах (VNIR) и входит в набор авиационных сенсоров дистанционного зондирования, включающий гиперспектральные сканеры видимого и ближнего ИК-диапазона ( VNIR), коротковолнового ИК-диапазона (SWIR), средневолнового ИК-диапазона (MWIR) и теплового ИК-диапазона (TIR).

Гиперспектральный авиационный сканер CASI-550 предназначен для дистанционного обследования земной поверхности с борта летательного аппарата путем измерения интенсивности отраженного излучения в заданном спектральном диапазоне (видимый, ближний ИК). Каждый пиксель полученного изображения содержит одновременно как пространственную, так и спектральную информацию об обследуемой сцене.

Данный тип сканера позволяет обнаруживать объекты по их физико-химическому составу, в том числе идентифицировать:

· виды землепользования

· состояние растительного покрова (оценивать содержание хлорофила, наличие коричневого пигмента листьев, вегетационный индекс LAI)

· геологическую структуру и типы минералов

· химический состав пленки загрязнения на поверхности воды и т.п.

Сенсор сканера содержит в себе фоточувствительную матрицу эффективного размера 550 х 288 пикселей. Входной поток излучения разлагается на компоненты по длине волны. Для каждого диапазона длин волн отведены определенные строки матрицы. Эти данные оцифровываются и записываются на жесткий диск. Диск устанавливается в единый блок питания, накопления информации и управления. Для пространственной привязки данных съемки используется инерциально-навигационная система NovAtel SPAN FSAS или Applanix POS AV. При совместной послеполетной обработке данных инерциально-навигационной части системы и сенсора - каждый пиксель изображения получает свои географические координаты для дальнейшего использования, например в ГИС. [9]

На данный момент времени для проведения аэросъемочных работ используют различные виды летательных аппаратов:

· самолеты;

· вертолеты;

· парапланы;

· дирижабли и др.

До недавнего времени аэрофотосъемка была исключительным уделом большой авиации. Последние годы внесли заметные коррективы в такое положение вещей. С появлением надежной аппаратуры радиоуправления и небольших по весу автоматических фотокамер, снабженных виндерами - устройствами для моторной перемоткой пленки, все чаще стала появляться информация об использовании для аэрофотосъемки летающих моделей. На сегодняшний день существуют не только малогабаритные и легкие фотоаппараты, но и видеокамеры со вполне приемлемыми габаритно-весовыми характеристиками. На нескольких последних авиасалонах и выставках вооружений появилось немало специализированных комплексов для фото-видео разведки, разработанных на базе авиамоделей. Очень серьезно разработкой таких комплексов занимаются в Израиле, где они уже сейчас используются для патрулирования дорог вместо традиционных вертолетов.

Использование лазернолокационных методов съемки предполагает получение геопространственных данных двух основных видов: собственно данных лазернолокационной съемки (другое название «облако лазерных точек») и цифровых аэрофотоснимков. Последние по своему информационному содержанию и методике использования мало отличаются от традиционных аэрофотоснимков, получаемых с помощью традиционных пленочных камер. Конечно, использование цифровой аэрофотосъемочной техники позволяет добиться значительно более высокого фотографического и фотограмметрического качества, а также существенно сократить длительность технологического цикла производства топографических материалов. Однако роль лазернолокационных данных в рассматриваемом методе создания и обновления топографических карт и планов существенно отличается от традиционной. Первичные лазернолокационные данные, получаемые в ходе аэросъемочной фазы, классифицируются с использованием автоматических или полуавтоматических методов по морфологическому признаку [15].

Аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами:

1. паралелльный сбор геопространственных данных

2. последовательный сбор геопространственных данных

Как именно осуществляется сбор данных, параллельно или последовательно, не имеет принципиального значения.

Технология, методология и инструментальная база проведения аэросъемки за последние 10 лет претерпели существенные, часто революционные, изменения.

Цифровые аэрофотосъемочные системы продолжают активно развиваться и все больше внедряются в аэрофототопографическую практику.

Поэтому важнейшим направлением в развитии авиационных съемочных систем является усовершенствование цифровых аэрофотоаппаратов, улучшение их качественных характеристик.

Перспективами развития авиационных съемочных систем являются:

· повышение разрешающей способности аэросъемочных средств;

· ПЗС - структура с большим количеством элементов;

· Создание низкоуровневых систем, то есть съемка может проводиться при малых уровнях освещенности - сумерки и ночь.

В настоящее время спрос на материалы космической съемки в мире растет за счет разведывательных военных ведомств, органов государственного управления и коммерческих потребителей. Увеличение спроса на космическую информацию обусловлено бурным развитием вычислительной техники, а также совершенствованием геоинформационных систем, для которых основным источником данных являются материалы космической съемки.

Наиболее перспективными становятся те сегменты рынка космических услуг, которые ближе всего к массовому потребителю, ведь именно здесь реализуется главное преимущество космических технологий -- глобальность и возможность многопрофильного применения данных.

Ранее созданные системы, ориентированные на централизованное обслуживание крупных, преимущественно государственных заказчиков информации, не соответствуют происходящим изменениям потребительского рынка. В связи с этим все возрастающие надежды возлагаются на перспективные коммерческие системы на базе малых космических аппаратов. В конкурентной гонке разработчиков космических систем к настоящему времени достигнуто улучшение разрешающей способности до 1 м и менее, сокращение сроков разработки и переход к созданию малых КА. Повышение пространственного разрешения и точности географической привязки космических снимков позволяет получать карты и планы масштаба до 1 : 2500 на уровне аэрофотосъемки [23].

Высокая востребованность космической съемки привела к тому, что в настоящее время этот сегмент рынка все активнее осваивается компаниями с частным капиталом. Это характерно не только для США, где поддержка частного бизнеса и передача ему ряда функций по получению данных в интересах государственных органов стала государственной политикой, но и в таких странах, как Израиль, Франция, Индия. Стоит отметить эффективную схему взаимодействия государства и рынка, отработанную в США. Коммерческие спутники обеспечивают информацией государственные структуры на основе гарантированных контрактов. При этом часть ресурса (около 50%) компании операторы используют для продажи космических изображений сверхвысокого разрешения на мировом рынке [1]. К сожалению, в России политика использования космических систем не сформирована, а большой бизнес не считает эту отрасль областью своих интересов, хотя от неё зависит информационная безопасность страны.

В связи с ростом доступности космических снимков высокого разрешения (1 м и менее) в мире идет передел и развитие рынка кадастровых систем, база данных которых еще 10 лет тому назад почти целиком обеспечивалась аэрофотосъемкой. В настоящее время, доля аэрофотосъемки повсюду значительно уменьшилась.

Современными космическими съемочными системами высокого разрешения являются: съемочная система IKONOS; съемочная система QuickBird; съемочная система Монитор-Э; съемочная система Ресурс ДК.

Спутник IKONOS запущен 24 сентября 1999 года на синхронно-солнечную орбиту с периодом обращения 98 минут на высоту приблизительно 680 километров. Время прохождения одной и той же территории 10:30 ежедневно. Спутник IKONOS может обеспечивать съемку заданной местности с периодом в 1 день.

Система IKONOS обеспечивает динамический диапазон данных 11 бит. Так как сенсоры системы могут обеспечивать 1-метровые панхроматические и 4-метровые мультиспектральные снимки с отклонением от надира до 60 градусов по любому азимуту, то стерео возможности обеспечиваются как вдоль, так и поперек траектории

Стерео возможности системы IKONOS обеспечиваются тремя особенностями: возможность наклонной съемки по любому азимуту, отношение (B/H) от 0.6 и более (сходное с аэроснимками) и высокое разрешение. Возможность наклонной съемки обеспечивает стереоскопическое изображение при съемке с различных орбит, как у системы SPOT-HRV, так же как и возможность стереосъемки вдоль траектории как у систем SPOT-HRS, JERS-1. Стереоснимки IKONOS распространяются как квази-эпиполярные, где оставлен только высотный параллакс. Доступ к описанию точной геометрической модели сенсора затруднен, поэтому для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients - RPC). В настоящее время предложены различные алгоритмы получения ЦМР по данным системы Ikonos. Существующие методы обработки стереопар системы Ikonos позволяют получать угловую точность 1-2 градуса и позиционную точность до 1 пиксела [19].

Спутник QuickBird-2 запущен в 2015г. предназначается для съемки поверхности Земли с разрешением 60 см в черно-белом режиме и 2,5 м в мультиспектральном режиме, что уже сравнимо с характеристиками снимков цифровых аэросъемочных комплексов.



Рисунок 4 - Спутник QuickBird

Для обработки как одиночных снимков, так и стереопар используется модель рациональных полиномиальных коэффициентов (Rational polynomial coefficients - RPC). Точность обработки одиночных снимков системой Photomod до 0.6м (СКО), система ENVI - до 1 м (СКО).

Монитор-Э создан Российским Космическим Агентством Роскосмос, на основе малых спутников, разработанных Государственным исследовательским центром имени Хруничева. Монитор-Э является первым спутником на основе модульной многоцелевой платформы «Яхта», предназначенной для использования в областях дистанционного зондирования, коммуникаций.

Рисунок 5 - Спутник Монитор-Э

Космический аппарат стабилизирован по трем осям платформы «Яхта» со стартовой массой 750 кг. Угловая точность позиционирования 0.1є, точность управления угловым дрейфом 0.001є/с. Две солнечные батареи вырабатывают до 1200 Вт. Космический аппарат способен перенацеливаться поперек траектории до ±30є от надира с использованием гироскопической системы, обеспечивая полосу обзора больше полосы захвата. Время жизни системы ориентации до 5 лет.

Космический аппарат имеет две камеры сканерного типа конструкции С.А. Зверева, Красногорск, Россия. Общий вес 420 кг и электропотребление 450 Вт. Камеры созданы с целью использовать панхроматическое и мультиспектральное изображения для широкого спектра применений, таких как сельское хозяйство, лесное хозяйство, контроль окружающей среды, геологическое картографирование, исследование природных ресурсов, управление в чрезвычайных ситуациях.

Ресурс-ДК1 - первый российский спутник дистанционного зондирования способный передавать снимки высокого разрешения (до 1 м) на наземные станции во время прохода над нами. Аппарат был разработан в ЦСКБ «Прогресс», Самара, Россия. Космический аппарат предназначен для мультиспектральной и спектрозональной съемки земной поверхности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Рисунок 6 - Спутник Ресурс -ДК

Аппарат стабилизирован по трем осям. Точность угловой ориентации 0.2 угловых минуты, точность стабилизации угловой скорости 0.005є/с. Время жизни до 3-х лет или более.

Космический аппарат имеет массу 6650 кг, высота 7.4 м, размах солнечных батарей 14 м. Ресурс-ДК1 может поворачиваться до ± 30є поперек траектории.

К современным космическим съемочным системам среднего разрешения относятся: космическая съемочная система SPOT, космическая съемочная система TERRA (платформа ASTER), космическая съемочная система ALOS, космическая съемочная система «Комета»

Спутники системы SPOT производят съемку Земли с 1986 года. В настоящее время работоспособны и запущены в 2013 и 2014 году спутники SPOT - 6 и 7.

SPOT 6, 7 - спутники дистанционного зондирования Земли являются продолжением французской серии спутников ДЗЗ, которые призваны заменить “морально устаревшие” космические аппараты SPOT 4 и 5.

SPOT 6 и 7 полностью идентичные и будут выполнять сьемку с пространственным разрешением 2 метров в панхроматическом режиме и 8 метров мультиспектральном режиме.

Спутники SPOT позиционированы на орбите таким образом, чтобы обеспечить получение снимков Земли, которые позволяют производить их сравнение, несмотря на дату их получения. Для спутников первого и второго поколения (SPOT 1,2,3,4,5) получение стереоизображения осуществляется при межвитковой съемке, что затрудняет использование процедур автоматизации построения цифровой модели рельефа (ЦМР). Получение стереопары на одном витке возможно для спутника SPOT - 5. Однако политика фирмы направлена на затруднение доступа к стереосъемке со спутника SPOT - 5. Кроме того, геометрия камер спутников серии SPOT существенно отличается от геометрии камер центральной проекции, что затрудняет их высокоточную обработку.

Платформа ASTER - результат сотрудничества между NASA и японским министерством экономики и торговли (METI), в сотрудничестве с научными и промышленными организациями двух стран. Платформа ASTER является следующим поколением инструментов дистанционного зондирования Земли сравнимых с инструментами Landsat Thematic Mapper, и японским сканером JERS-1. ASTER обеспечивает высокое спектральное разрешение в 14 диапазонах и обеспечивает стереоскопические возможности для создания ЦМР. Оборудование ASTER состоит из трех различных подсистем. Каждая подсистема работает в собственном спектральном диапазоне, имеет собственный телескоп(ы) и была построена различными японскими компаниями. ASTER имеет следующие подсистемы: Видимого и ближнего ИК диапазона - Visible and Near Infrared (VNIR), Коротковолнового ИК - Shortwave Infrared (SWIR), Теплового ИК - Thermal Infrared (TIR).

Подсистема VNIR работает в трех спектральных диапазонах в видимом и ближнем ИК, с разрешением 15 метров. Она состоит из двух телескопов - один надирный с детектором трех спектральных диапазонов и второй - смотрящий назад с одно-диапазонным детектором. Телескоп, направленный назад обеспечивает обзор цели в диапазоне 3 для стереонаблюдения. Поворот до 24 градусов поперек траектории обеспечивается поворотом всего телескопа. Разделение диапазонов обеспечивает наблюдение во всех трех диапазонах одновременно. Скорость передачи данных до 62 Мб/с при использовании всех четырех диапазонов.

Рисунок 7 - Подсистема VNIR

Подсистема SWIR работает в шести спектральных диапазонах в ближнем ИК через один телескоп, смотрящий в надир, и обеспечивающий разрешение 30 метров. Возможность наведения поперек траектории ( до 8550 км) обеспечивается поворотным зеркалом. Из-за большого размера комбинации фильтров/детекторов детекторы сильно разнесены, вызывая ошибку параллакса примерно в 0.5 пиксела на 900 метров высоты. Эта ошибка может быть скорректирована, если есть данные о высоте, например, ЦМР. Скорость генерации данных до 23 Мб/с.

Рисунок 8 - Подсистема TIR

Подсистема TIR работает в пяти диапазонах в тепловом инфракрасном диапазоне через один, жестко зафиксированный телескоп с разрешением 90 метров. Максимальная скорость генерации данных - 4.2 Мб/с. Сканирующее зеркало работает в режиме сканирования и обеспечивает отклонение поперек траектории (до ± 8.55 градусов). В сканирующем режиме зеркало колеблется со скоростью примерно 7 Hz и данные собираются только в одном направлении.

Рисунок 9 - Подсистема TIR

Для получения стереоперекрытия используется подсистема VNIR, имеющая два независимых телескопа с минимальной дисторсией, направленных вперед и назад. Они используются для получения стереоснимков вдоль направления полета с углом 27.7 градуса и отношением B/H = 0.6. Два телескопа могут быть повернуты на 24 градуса для обеспечения поперечного стереоперекрытия с лучшим отношением B/H (до 1) и 5-дневным периодом посещения. Однако по различным научным, технологическим и коммерческим причинам обычно используется стереоперекрытие вдоль направления полета как для сиcтемы Ikonos, так и для системы ASTER. Точность обработки данных (СКО) может достигать 1 пиксел. При использовании опорных точек точность может составлять: при определении плановых координат (xy) 7 м, при определении высоты 13м.

ALOS - японский спутник дистанционного зондирования Земли разработан JAXA (Японское космическое агентство, Токио, бывшее NASDA) и создан корпорациями NEC, Toshiba, Mitsubishi Electric Corp (см. рис. 1.10). Целью разработки было создание оптических и микроволновых сенсоров, данные высокого разрешения с которых могут использоваться в таких приложениях, как картографирование, мониторинг окружающей среды и чрезвычайных ситуаций. Кроме того, сообщество потребителей должно иметь данные с разрешением, достаточным для создания карт масштаба 1:25000. Для этого нужны данные с горизонтальным разрешением 2.5 м и вертикальным разрешением 3-5 м. Мультиспектральные данные с горизонтальным разрешением необходимы для классификации. Мониторинг реального времени требует иметь возможность оперативного перенацеливания КА.

Кратковременная угловая стабильность ±0.00002є/0.37 мс (3у), долговременная угловая стабильность ±0.0002є/5 с (3у). Точность позиционирования ±0.0002є, точность определения координат КА ±1.0 м. The dual-frequency carrier-phase tracking GPS receiver of Toshiba Corp. is used for orbit determination.

На земле JAXA создало для КА ALOS систему PPDS (Precision Pointing and Geolocation Determination System) точного определения положения, которая обеспечивает определение положения с точностью 2.0є x 10-4, углов с точностью 1.4є x 10-4, и местоположения с точностью 3 ~ 7.5 м.

КА ALOS был запущен 24 января 2010 года японской ракетой-носителем H-IIA из космического центра Tanegashima, Япония.

Рисунок 10 - Спутник ALOS

Съемочная система включает три модуля: камеры PRISM и AVNIR-2, радар с синтезированной апертурой PALSAR.

PRISM (Panchromatic Remote-sensing Instrument for Stereo Mapping) - камера для получения стереоданных высокого разрешения (размер пиксела 2.5 м) для картографических приложений (получения ЦМР и т.п.). Инструмент является трехлинейным сканером с тремя независимыми оптическими системами для надира, вида вперед, вида назад для получения стерео перекрытия вдоль полета. Каждый из трех телескопов имеет трех зеркальную оптику (30 см апертура и 2 м фокусное расстояние) и несколько CCD детекторов для сканирования. Шесть или восемь матриц CCD (5000 пикселей каждая) физически расположены в фокальной плоскости телескопов. Из 40,000 пикселей каждого телескопа, 14,000 пикселей выбираются и передаются на приемную станцию. Таким образом, триплет изображений содержит три раза по 14,000 пикселей/линию. Надирный телескоп обеспечивает полосу съемки 70 км (28,000 выходных пикселей), каждый из вперед и назад смотрящих телескопов обеспечивает полосу 35 км (14,000 пикселей на диапазон). Передний и задний телескопы наклонены на ±23.8є от надира и обеспечивают отношение B/H=1 на высоте 692 km. Спектральный диапазон работы камеры 0.52-0.77 мкм. Оптика камеры PRISM смонтирована на оптической скамье с термостабилизацией ±3є C для минимизации дисторсии оптики [13].

AVNIR-2 (Advanced Visible and Near-Infrared Radiometer) - камера, созданная фирмой Mitsubishi Electric Corporation. Она предназначена для получения мультиспектральных данных высокого разрешения (10 м). Оптическая система выполнена по схеме "folding Schmidt". Телескоп имеет апертуру 24 см в диаметре и фокусное расстояние около 800 мм. Камера AVNIR-2 может быть отклонена на ±44є поперек полета для целей мониторинга чрезвычайных ситуаций. Матрица CCD детектора имеет 7000 пикселей в линейке. Камера может применяться для мониторинга региональной окружающей среды. Компрессия почти без потерь DPCM (дифференциальная импульсно-кодовая модуляция) с кодированием Хаффмана применяется для уменьшения потока данных со 160 Мбит/с до 120 Мбит/с.

Рисунок 11 - Съемка камерой ANVIR-2

Космическая съемочная система «Комета» предназначена для создания топографических и цифровых карт и включает в себя топографическую камеру ТК-350 и панорамную камеру высокого разрешения КВР-1000, вместе с датчиками для определения элементов внешнего ориентирования снимков в полете, образуют космическую картографическую систему, предназначенную. При этом фотокамера ТК-350 позволяет получать высокоточные стереопары, пригодные для построения фотограмметрических сетей и создания рельефа, а фотокамера КВР-1000 предназначена для получения снимков высокого разрешения, необходимых для дешифрирования объектов местности.

При создании камеры ТК -350 основное внимание было уделено увеличению базиса фотографирования и повышению точности снимков. В связи с этим был выбран прямоугольный формат, когда при съемке длинная сторона кадра располагается вдоль линии полета. Перекрытие 80% позволяет сделать отношение В/Н равным 1.1.

Рисунок 12 - Схема перекрытия снимков

Выравнивание фотопленки осуществляется путем ее прижима к выравнивающему стеклу прокатывающимися валиками, в момент экспонирования пленка удерживается на стекле вакуумным способом по периферии кадра. Учитывая высокую точность изготовления выравнивающего стекла, этот способ позволяет обеспечить среднюю квадратическую ошибку из-за невыравнивания фотопленки 1.5-2.0 мкм.

По всему полю кадра с дискретностью 10 мм на выравнивающем стекле нанесены контрольные и координатные кресты (всего 1305 крестов), координаты которых калиброваны со средней квадратической ошибкой 2.0-2.5 мкм. Это позволяет с максимально возможной точностью учитывать деформацию фотопленки.

При установке камеры в КА калибруется также стекло иллюминатора, измеряется состав газовой среды внутри КА, а в полёте измеряются фактические значения температуры и давления. Это позволяет учесть влияние иллюминатора, внутренней рефракции и внести поправки в фокусное расстояние камеры. В результате всех наземных калибровок и измерений в полёте суммарная средняя квадратическая ошибка снимков, полученных камерой ТК-350 составляет 5 мкм (рис.12).

При создании камеры КВР-1000 была выбрана конструктивная схема панорамного фотоаппарата, при которой высокий уровень разрешения, соответствующий центральной части поля зрения объектива, сохраняется по всему кадру и можно получить изображение широкой полосы местности.

Панорамная камера КВР-1000 обеспечивает разрешение на местности 2м при высоте съёмки 220 км и полосе захвата 160 км. Таким образом, площадь, покрываемую одним кадром ТК-350, покрывают 7 кадров КВР-1000 при совместном включении обеих камер.

Рисунок 13 - Обобщенная схема покрытия земного шара снимками ТК-350

Панорамная камера КВР-1000 обеспечивает получение высококачественных панорамных снимков, пригодных для изготовления крупномасштабных фотопланов и ортофотопланов. При этом необходимо использовать геометрическую модель панорамного изображения, учитывающую перечисленные калибровочные параметры. На настоящий момент накоплен огромный архив снимков, полученных в течение двадцати запусков системы «Комета». Данный архив покрывает большую часть земного шара.

1.2 Состояние и перспективы развития аэрокосмических съемочных систем

Развитие фотограмметрии в значительной степени определяется прогрессом вычислительной техники. С повышением мощности вычислительных машин фотограмметрические приборы эволюционировали от механических к аналитическим, от аналитических к цифровым фотограмметрическим станциям (ЦФС). В последние годы наметился переход от получения изображений традиционными пленочными камерами с последующим сканированием негативов к непосредственному получению цифровых снимков в полете.

В последнее время можно отметить устойчивый интерес к данным дистанционного зондирования поверхности Земли. Правда, зачастую, при внимании к этой теме имеют в виду космическую съемку. Между тем имеются и постоянно развиваются мощные технологические средства аэросъемки, которые исторически были созданы гораздо ранее чем средства космической съемки и по прежнему продолжают прочно занимать значительную часть рынка. Связано это с тем, что дистанционные системы космического базирования не всегда обеспечивают необходимую детальность, а иногда оперативность, кроме того следует учитывать жесткие требования к условиям проведения космических наблюдений.

В последнее время доступ к аэрокосмическим снимкам стал значительно легче, и техника дистанционного зондирования Земли все шире применяется в Российской экономике.

В настоящее время в качестве авиационных съемочных систем применяются: традиционные аэрофотоаппараты; воздушные лазерные сканеры; цифровые аэрофотоаппараты; аэросъемочные комплексы гиперспектральной съемки.

Отечественные аэрофотоаппараты (АФА) с фокусными расстояниями: 350, 200, 140, 100, 70 миллиметров - это надежные и простые устройства, дающие хорошие результаты при выполнении аэрофотосъемки.

Основным недостатком АФА является малый формат кадра 18х18 см, что приводит при одинаковых параметрах съемки к увеличению съемочного времени и количества отснятых кадров.

Полученные в полете снимки после проявки сканируются на высокоточных фотограмметрических сканерах с разрешением, как правило, не хуже 15 мкм. Учитывая размеры негатива 23Ч23 см (или 18Ч18 см), в результате получаются цифровые изображения размером ~15000Ч15000 пикселей, или более 200 мегапикселей. К сожалению, в настоящее время промышленность не производит светочувствительные матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС) таких размеров. Это приводит к появлению специальных приемов при производстве цифровых аэрофотокамер.

В зависимости от формата различают: цифровые камеры среднего формата, цифровые камеры на ПЗС линейках, цифровые камеры "большого" формата на ПЗС матрицах.

Простейшим выходом из технологического ограничения на размер светочувствительной матрицы при производстве цифровой аэрофотокамеры является производство камер с максимально возможными по числу элементов матрицами на базе существующих решений.

Таким путем пошла фирма Applanix с камерой DSS (Digital Sensor System). Эта камера имеет ПЗС матрицу размером 4092 x 4077 пикселей и оснащена 80 гигабайтным диском для хранения снимков (плюс 2 сменных 80 гигабайтных диска). Близкой по характеристикам является камера DiMAC (Digital Modular Aerial Camera) с матрицей 5440 x 4080 пикселей. Эти камеры основаны на известных и хорошо проверенных технологиях фирм KODAK, ROLLEI, PHASE ONE, Applanix и других, снабжаются при поставке системами планирования полетом, системами позиционирования POS/AV. Эти камеры позиционируются производителями как устройства для съемок линейных и небольших по размерам площадных объектов.

Интересным способом получения цифровых изображений большого размера является использование светочувствительной линейки, а не матрицы. Этот способ широко используется при съемке из космоса. Фирма Leica применила этот способ в цифровой камере ADS40.

За объективом камеры ADS40 расположены 7 ПЗС линеек - 3 панхроматические, направленные вперед, назад и в надир, и 4 линейки, снимающие в красном, синем, зеленом и ближнем инфракрасном диапазонах. Линейки имеют размер 12000 пикселей. В отличие от матричных камер, в ADS40, изображение получается за счет сканирования (движения) над местностью. Получаемые сканирующей системой изображения геометрически существенно отличаются как от кадровых систем, так и от космических сканерных систем. Значительные механические возмущения движения носителя, вибрация приводят к необходимости геометрической коррекции изображения перед фотограмметрической обработкой. Отметим, что близкие подходы использованы в цифровых камерах ЦТК-140 и ЦМК-70, разработанных АНО "Космос-НТ" и ИКИ РАН