Комплексное использование аэрокосмических снимков и спутниковых технологий для целей городского кадастра

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.

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, нефте- 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 [9].

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.

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.

Аэросъемочные работы могут проводиться различными подходами:

3. паралелльный сбор геопространственных данных

4. 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 [9].

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.

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 3 дня.

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.

Спутник QuickBird-2 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.

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, космических исследований [6].

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.

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 спутники SPOT - 1, - 2 и - 4. Спутник SPOT - 3, прекратил съемку в ноябре 1996 года по техническим причинам. Группировка спутников была увеличена в мае 2002 года запуском спутника SPOT - 5

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) 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) [17].

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.

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.

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.

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. 1.23). 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 2006 года японской ракетой-носителем H-IIA из космического центра Tanegashima, Япония.

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.

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. аэрокосмический снимок кадастр

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.

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.

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.

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.

Среди последних разработок следует отметить китайских конструкторов. Навигационная китайская система Бэйдоу (BDS) начала свою работу в Китае, а также некоторых других странах Азиатско-Тихоокеанского региона. Специалисты отмечают, что точность позиционирования BDS для гражданских нужд не превышает 10 метров, а точность измерения скорости составляет 0,2 метра в секунду. Ошибка в передаче времени от спутника находится в пределах 50 наносекунд (миллиардных долей секунды). В итоге общая точность и функциональные возможности системы сравнивают с американской навигационной системой GPS.

В ближайшее время начнется работа по гармонизации технических стандартов навигационно-информационных систем на основе ГЛОНАСС и BeiDou в рамках совместных трансграничных проектов, прежде всего китайского аналога системы «ЭРА-ГЛОНАСС». Гармонизация стандартов откроет широкие возможности для совместных коммерческих проектов в сфере навигации, управления, автомобильного, авиационного и водного транспорта.

Также среди основных направлений сотрудничества -- развитие микроэлектроники и создание навигационных приемников ГЛОНАСС/BeiDou. На основе этих приемников возможно производство уже готовых изделий для различных применений -- персональных трекеров, автомобильных терминалов, потребительских товаров разного назначения.

Таким образом, 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 [12].

Современные космические съемочные системы обеспечивают съемку поверхности Земли с разрешением 0,6 - 1 м в черно-белом режиме и 2,5 - 4 м в мультиспектральном режиме, в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Совершенствование данных систем предполагается за счет расширения спектрального диапазона съемки, повышения разрешающей способности и спектральной чувствительности приемников излучения.

Существующие авиационные съемочные системы базируются на применении традиционных аэрофотоаппаратов, воздушных лазерных сканеров, цифровых аэрофотоаппаратов, аэросъемочных комплексов гиперспектральной съемки. Совершенствование данных систем предполагается за счет повышения разрешающей способности и спектральной чувствительности.

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕ

2.1 Общие сведения о глобальной навигационной спутниковой системе

Анализ существующего аппаратного обеспечения показывает, что традиционные способы и средства съемки в геодезии, в том числе и при производстве работ по межеванию, обеспечивают требуемую точность только относительно небольших объектов. Однако если объект занимает большую площадь или протяжённость, то точность снижается. Применение теодолитов и тахеометров иногда является затруднительным, если объект находится в труднодоступном месте или далеко от пунктов государственной геодезической сети. В этом случае добиться поставленной цели помогают средства глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).

Развитие космической техники в последние годы дало возможность подняться на новую ступень при решении различного рода задач. При судовождении, управлении полетом самолета или космического аппарата, геодезии, мониторинге разных движущихся объектов требуется знание положения потребителя в пространстве, его скорости. В 90-е годы были развернуты среднеорбитальные навигационные спутниковые системы (НСС), позволившие удовлетворить существовавшие на то время потребности в качестве глобального навигационного обслуживания: в США - это система GPS, а в России - ГЛОНАСС. Но существует ряд задач, которые требуют более высокого качества навигационного обслуживания как по точности, так и по характеру навигации, то есть по типу предоставляемой информации о положении потребителя. Так, для захода на посадку самолета по I категории необходимая точность навигации в плоскости - 4-8 м, а по высоте - 2-8 м.

Для обеспечения повышенной точности навигации обычно применяется дифференциальная коррекция. Очевидно, что для обеспечения дифференциального режима для большого региона - например, для стран Европы, США, России -количество базовых станций, формирующих дифференциальные поправки, достигает огромной величины. Поэтому был предложен другой подход. Суть его заключается в том, что передача корректирующих дифференциальных поправок осуществляется при помощи геостационарных спутников. Примерами широкозонных дифференциальных систем являются американская система WAAS и две системы, - японская MSAS, европейские EGNOS и Galileo. Система WAAS прошла тестирование и запущена в эксплуатацию в 2003 г. В настоящее время их 5 в том числе и Российская СДКМ обеспечивает улучшение характеристик ГЛОНАСС и GPS

Можно констатировать тот факт, что в настоящее время существует объективная потребность в дальнейшем повышении качества навигационного обслуживания. Качество навигационного обслуживания может совершенствоваться по следующим направлениям:

Первое направление - это разработка навигационных GPS-алгоритмов, уменьшающих влияние селективного доступа. Это даст возможность повысить точность в случае применения селективного доступа без привлечения дополнительного оборудования.

Второе направление связано с совместным использованием навигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Интерес к задаче комплексирования GPS и ГЛОНАСС измерений объясняется возможностью дальнейшего совершенствования алгоритмического обеспечения в направлении повышения качества навигационного обслуживания, в том числе в рамках создания программного обеспечения для проекта GNSS. Необходимо заметить, что совместное использование GPS и ГЛОНАСС систем существенно улучшает точность навигации в случае, если в системе GPS применяется селективный доступ.

Следующее направление в области повышения качества навигационного обслуживания относится к дифференциальной коррекции. И если для локальной дифференциальной коррекции, применяемой уже около десяти лет, существует и различные навигационные станции, и оборудование для передачи дифференциальных поправок, и соответствующее программное обеспечение, то для широкозонных дифференциальных систем в силу новизны является актуальным разработка соответствующего алгоритмическо-программного обеспечения.

Рассмотрим состав и принципы использование ГНСС на современном этапе.

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ) (см. рис. 2.1), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность). Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить. [8]

Рисунок 14 - GPS спутник

Некоторые понятия, используемые в дипломной работе:

- Глобальная навигационная спутниковая система - система радионавигационных искусственных спутников Земли, службы контроля и управления и приёмников спутниковых радиосигналов, обеспечивающая координатно-временные определения на земной поверхности и в околоземном пространстве.

- Спутниковые определения - определения пространственных координат точки с использованием глобальных навигационных спутниковых систем.

- Наблюдения спутников - приём радиосигналов от спутников глобальной навигационной системы (далее - спутников).

- Спутниковый приёмник - аппаратно-программный комплекс для наблюдения спутников.

- Приём - последовательность выполняемых с приёмников действий по получению данных наблюдений спутников, включающая установку режима регистрации данных, проведение регистрации и вывод приёмника из режима регистрации данных.

- Сеанс - одновременное выполнение приёмов несколькими приёмниками.

- Базовая станция - приёмник, служащий для выполнения приёма на точке, относительно которой производят спутниковые определения в данном сеансе.

- Подвижная станция - приёмник, служащий для выполнения приёма на точке, местоположение которой определяется в данном сеансе.

- Определение линии - выполнение сеанса на двух пунктах. [9]

ГЛОНАСС - это наша отечественная система спутников времён СССР, которая после полного развёртывания будет включать 24 спутника на высоте 19100 км. Она предназначается для определения точного положения и скорости движения объекта, расположенного в любой точке земного шара. В законченном виде система ГЛОНАСС должна будет состоять из 24 спутников. Сейчас на орбите находятся 27 спутников, но только 23 из них находятся в рабочем состоянии. Для полноценной эксплуатации системы требуется 1,5 млрд рублей в год.

Основное назначение - беспечение навигационной информацией и сигналами точного времени военных и гражданских наземных, морских, воздушных и космических потребителей.

С 1996 года по предложению Правительства Российской Федерации Международная организация гражданской авиации и Международная морская организации используют систему ГЛОНАСС вместе с системой GPS (США) в качестве международных.

С 1 января 2015 г. введена в промышленную эксплуатацию государственная автоматизированная информационная система экстренного реагирования при авариях «ЭРА-ГЛОНАСС». Единственным исполнителем работ по созданию и внедрению системы с 2012 г. выступало Некоммерческое партнерство «ГЛОНАСС».

С 1 января 2016 г. оператором системы «ЭРА-ГЛОНАСС» будет выступать Акционерное общество «ГЛОНАСС» со 100-процентным государственным участием. В соответствии с федеральным законом основные задачи АО «ГЛОНАСС» - обеспечение работы «ЭРА-ГЛОНАСС», а также коммерциализация инфраструктуры системы за счет ее использования в интересах государственных и коммерческих заказчиков, привлечение внебюджетных инвестиций для развития системы. НП «ГЛОНАСС» является уникальной B2B и B2G площадкой.

В 2016 г. НП «ГЛОНАСС» планирует принимать самое активное участие в деятельности трех рабочих групп НТИ: АвтоНэт (беспилотный автотранспорт), АэроНэт (беспилотные летательные аппараты), МариНэт (беспилотный водный транспорт). Партнерство готово предоставить свои компетенции и опыт, в первую очередь, в части организации обсуждений в форматах B&G и B&B концепций развития, необходимых мер господдержки и пилотных проектов, разработки проектов нормативных актов и организации их публичного обсуждения, разработки проектов технических регламентов, национальных и межгосударственных стандартов и организации их публичного обсуждения, организации работ по поддержке программ экспорта и международной кооперации.

Одно из важнейших направлений деятельности НП «ГЛОНАСС» - поддержка экспорта технологий ГЛОНАСС, развитие международного сотрудничества и кооперации в сфере навигационной деятельности. Партнерство ведет активное взаимодействие с Северной Промышленной Корпорацией Китая (NORINCO) в области навигационных приемников и проектов трансграничных перевозок. Совместно с китайской госкорпорацией НП «ГЛОНАСС» создает совместное предприятие для разработки, производства и сбыта чипсета «ГЛОНАСС-BeiDou» под брендом BG-Star. Совместно разработанная современная и конкурентоспособная на мировом рынке линейка навигационных приемников ГЛОНАСС/BeiDou станет основой создания устройств и систем различного назначения для использования в России, КНР и экспорта на глобальный рынок [3].

Система Глобального Позиционирования (Global Positioning System - GPS) - спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.

Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 2 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника, сейчас 31. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты.

Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений. [10]

На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или “псевдодальность”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника Dt.

Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X, Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта.

Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи. [4]

2.2 Состав глобальной навигационной спутниковой сети

В состав глобальной навигационной спутниковой сети входят:

- сеть наземных станций слежения и управления (сегмент контроля и управления);

- созвездие ИСЗ (космический сегмент);

- собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Сегмент контроля и управления. Это комплекс наземных средств, обеспечивающих непрерывные наблюдения и контроль над работой всей системы. Одна из составляющих этого сегмента - равномерно расположенная на поверхности Земли, в том числе и в России, космическая геодезическая сеть. Содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн (см. рис. 14). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. [11]

Рисунок 15 - Наземные станции слежения за спутниками

Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Космический сегмент. На орбите находится более трех десятков спутников, которые вращаются под определенным наклоном к плоскости экватора. Спутники расположены так, что в любой момент над головой наблюдателя их не менее трех. Точно синхронизированные передатчики каждого спутника передают пакеты данных, содержащие информацию о номере спутника, времени, параметры различных поправок и некоторую другую информацию.

Положение плоскости орбиты относительно экваториальной плоскости характеризуют: долгота восходящего узла Щ, аргумент перигея щ и угол i наклона плоскости орбиты к плоскости экватора. Например, для системы GPS: щ = 80°, i = 55°.

Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.

Положение навигационного искусственного спутника земли на орбите описывает радиус-вектор р (см. рис. 2.3), который определяют по формуле:

р = Р/(1 + е cosх), (2.1)

где Р= а(1 - е²);

е - эксцентриситет орбита;

х - истинная аномалия (выражается в градусной мере).

При невозмущённом движении НИСЗ названные параметры Щ, i, щ, р и е постоянны и не меняются при движении спутника по орбите. При этом истинная аномалия и характеризует положение спутника на орбите в определенный момент времени, называемый «эпохой».

Пространственное положение НИСЗ характеризуют его «бортовые эфемериды», включающие в себя пространственные прямоугольные координаты НИСЗ (в системе координат WGS-84 для GPS и в системе ПЗ-90 для ГЛОНАСС) на определенный момент времени t_K (на определенную эпоху).[4]

Бортовые эфемериды вырабатываются в результате обработки измерений, выполняемых сегментом контроля и управления. По результатам соответствующих измерений бортовые эфемериды загружаются на НИСЗ несколько раз в сутки. При этом влияние погрешностей эфемерид (неточность определения параметров орбит, непрогнозируемые смещения НИСЗ и др.) на точность абсолютного положения определяемых пунктов не превышает для системы ГЛОНАСС - 9,2 м, системы GPS - 1 м.

Принцип определения местоположения с помощью глобальной навигационной спутниковой системы предусматривает измерение расстояний (дальностей) между искусственными спутниками Земли и фазовым центром антенны приёмника спутниковых сигналов, установленного на определяемой точке местности. [12]

С целью реализации данного принципа каждый НИСЗ излучает радиосигналы, структура которых для системы GPS показана на рисунке 16.

Рисунок 16 - Структура НИСЗ

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Псевдослучайный код - это излучаемый спутниками шумоподобный непрерывный радиосигнал, состоящий из кодовых последовательностей логических нулей и единиц. Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:

- обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;

- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);

- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США.

Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.

Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.

Поскольку P- код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код - на одной (L1), в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду. [13]

Потребительский сегмент. В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, то есть из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, то есть в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться: