Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения

      Комментарии к записи Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения отключены

Космические съемочные системы сверхвысокого разрешения

Большой спрос на космическую данные обусловлен бурным развитием вычислительной техники, и совершенствованием геоинформационных совокупностей, главным источником данных для которых помогают результаты дистанционного зондирования. Насущная потребность в материалах космической съемки вызвала появление целой плеяды съемочных аппаратов со очень высоким пространственным разрешением.

Точность географической привязки и детальность приобретаемых изображений разрешили вырабатывать на их базе карты и замыслы большого масштаба, что ранее было вероятно лишь с применением аэросъемки. Высокая востребованность продуктов космической съемки стала причиной тому, что соответствующий рынок все активнее осваивается компаниями с частным капиталом. Это характерно не только для США, где передача частного и поддержка бизнеса ему последовательности функций по получению данных в интересах национальных органов стала госполитикой, но и для таких государств, как Израиль, Франция, Индия.

Необходимо подчеркнуть действенную схему частного сектора и взаимодействия государства, отработанную в Соединенных Штатах. Коммерческие спутники снабжают информацией национальные структуры на базе гарантированных контрактов. Наряду с этим часть ресурса (около 50%) компании-операторы применяют для создания космических изображений очень высокого разрешения, предназначенных для продажи в мире.

К сожалению, в Российской Федерации политика применения космических совокупностей не организована, а «громадный бизнес» не вычисляет эту отрасль областью собственных заинтересованностей, не смотря на то, что от нее зависит информационная безопасность страны. Ниже будут рассмотрены действующие оптико-электронные и радиолокационные космические совокупности очень высокого разрешения. Причем выговор будет сделан не на применении приобретаемых ими снимков (аналогичных публикаций даже больше чем нужно), а на характеристиках аппаратуры и технических особенностях, сведения о которой очень скудны и разрозненны.

Главные параметры оптико-электронных космических аппаратов

С 1999 г. в мировом масштабе создано и запущено 11 гражданских космических аппаратов (КА) c оптико-электронной аппаратурой, снабжающих получение снимков с разрешением 0,4–1,0 м, каковые нашли широкое использование в землепользовании, при проведении кадастровых работ, строительстве и проектировании инженерных сооружений, разведке месторождений углеводородного сырья, создании топографических планов и карт. Разработчиками первых КА очень высокого разрешения были только американские компании, но с 2006 г. запуски аналогичных аппаратов осуществили: Израиль (EROS-B), Российская Федерация («Ресурс-ДК»), Корея (KOMPSAT-2) и Индия (Cartosat-2).

Однако, США до тех пор пока сохраняют технологическое лидерство, о чем свидетельствует вывод на орбиту таких аппаратов, как Geo-Eye-1 (рис. 1), WorldView-1 и WorldView-2 с разрешением 0,4–0,5м.

Рис. 1. КА «GeoEye — 1»

Главные параметры оптикоэлектронных КА характеристики и сверхвысокого разрешения их бортовой съемочной аппаратуры приведены в таблицах 1 и 2:

Таблица 1. Параметры оптико-электронных КА очень высокого разрешения

КА

Страна

Дата пуска

H,

км

i,

градус

ТКА,

мин

Наклон,

градус

W,

Вт

Размер,

м?м

Масса,

кг

Срок,

лет

С у щ е с т в у ю щ и е

IKONOS-2

США

24.09.99

681

98,1

98,3

45

600

1,8?1,6

720

5-7

QuickBird-2

США

18.10.01

450

97,2

93,4

50

563

3,0?1,8

1028

5-7

OrbView-3

США

26.06.03

470

97,2

92,6

50

625

1,9?1,2

360

5

EROS-B

Израиль

01.03.06

500

97,3

94,8

45

800

2,3?4,0

350

10

Ресурс-ДК1

Российская Федерация

15.06.06

361-604

70,4

94,0

40

—

7,9?-

6570

3

KOMPSAT-2

Корея

28.07.06

685

98,1

98,5

56

955

2,6?2,0

800

5

Cartosat-2

Индия

10.01.07

637

97,9

97,4

45

900

2,5?2,4

680

7

WorldView-1

США

18.09.07

496

97,2

93,0

40

3200

3,6?2,5

2500

7,25

Cartosat-2A

Индия

28.04.08

635

97,9

97,4

45

900

2,5?2,4

690

7

GeoEye-1

США

08.10.08

684

98,0

98,0

50

3862

4,4?2,7

1995

7

WorldView-2

США

08.10.09

770

97,8

100,0

40

3200

4,4?2,5

2800

7,25

П л а н и р у е м ы е

Pleiades-1

Франция

2010

694

90,2

—

45

1500

—

1000

—

GeoEye-2

США

2012

—

—

—

—

—

—

—

—

Ресурс-П1

Российская Федерация

2012

—

—

—

—

—

—

—

—

Таблица 2. Параметры бортовой съемочной аппартуры и выходные параметры КА

КА

Параметры оптико-электронной камеры

Параметры ЗУ

и передачи инф.

Выходные параметры космической совокупности

f,

м

d, см

Размер p, мкм

Ёмкость и

Количество, Гбит

Скорость,

Мбит/с

Захват, км

MС

Разрешение,

м

PAN

MS

PAN

MS

PAN

MS

С у щ е с т в у ю щ и е

IKONOS-2

10,0

70

12

48

13500

3375

80

320

11

68000

1,0

4.0

QuickBird-2

8,8

60

12

48

27568

6892

128

320

16,5

51000

0,6

2,4

OrbView-3

3,0

45

6

24

8000

2000

32

150

8

157000

1,0

4,0

EROS-B

5,0

50

7

Нет

10000

Нет

2?120

450

7

100000

0,7

Нет

Ресурс-ДК1

4,0

50

9

—

36000

—

768

300

28,3

90000

1,0

3,0

KOMPSAT-2

—

—

—

—

15000

3750

64 и 96

320

15

137000

1,0

4,0

Cartosat-2

5,6

70

7

Нет

12288

Нет

64

105

9,6

114000

0.8

Нет

WorldView-1

8,8

60

8

Нет

35000

Нет

2200

800

16,4

113000

0,5

Нет

Cartosat-2A

5,6

70

7

Нет

12288

Нет

64

105

9,6

56000

0.8

Нет

GeoEye-1

13,3

110

8

32

35000

9300

1200

740

15,2

51000

0,41

1,64

WorldView-2

13,3

110

8

32

35000

9300

2200

800

16,4

58000

0,46

1,8

П л а н и р у е м ы е

Pleiades-1

12,9

65

13

52

30000

7500

600

465

20

53800

0,5

2,0

GeoEye-2

—

110

—

—

—

—

—

—

—

—

0,25

—

Ресурс-П1

—

—

—

—

—

—

—

—

—

—

0,5-1

—

GeoEye-1 разрешает в один момент вести съемку в панхроматическом и многоспектральном режимах с пространственным разрешением 0,4 и 1,6 м соответственно. Ответственной изюминкой этого КА есть высокая точность координатной привязки изображений, которая обеспечивается благодаря применению космической платформы с повышенной точностью и высокой стабильностью определения ориентации спутника и пространственного положения.

В соответствии с данными изготовителя, средняя квадратическая погрешность определения координат точек местности по снимкам GeoEye-1 образовывает 1,5 м в плане без применения наземных опорных точек. При увеличении точности и пространственного разрешения географической привязки космических снимков возможно на их базе вырабатывать карты и замыслы впредь до масштаба 1:2000 (т. е. применять на уровне материалов аэрофотосъемки). Представляется, что такие масштаб и точность позиционирования конечных продуктов еще долго будут разграничивать области применения космических и авиационных съемочных средств.

Еще одним технологическим преимуществом КА GeoEye-1 есть свойство аппарата с громадной скоростью (4°/с) поворачиваться в любом направлении для перенацеливания телескопа на заданный надел земли, что разрешает приобретать много кадров на каждом витке и осуществлять разные режимы съемки: кадровый, маршрутный, площадной, и вести стереосъемку. При ширине захвата в надире 15,2 км и углах отклонения оси камеры от него до 40° производительность совокупности выше, чем у каждый из существующих коммерческих платформ. Характеристики охвата территории при разных режимах съемки КА GeoEye-1 приведены в табл. 3.

Таблица 3. Характеристики охвата территории при разных режимах съемки КА GeoEye-1

возможные размеры и Ширина захвата участков на одном витке

Номинальная ширина захвата в надире – 15,2 км

Площадь одного кадра – 225 км2 (15?15 км)

Большая площадь  — 15 000  км2 (300?50 км)

Площадь квадрата 1°?1° — 10 000 км2 (100?100 км)

Площадь стереосъемки – 6 270 км2 (224?28 км)

Большая дневная производительность

Число кадров в панхроматическом режиме – 2400

Площадь в панхроматическом режиме – 700 000 км2

Площадь в многоспектральном режиме – 350 000 км2

Рис. 2. Аэропорт «Внуково»

Кооперация компаний во главе с DigitalGlobe (США) изготовила и запустила два космических аппарата — WorldView-1 и WorldView-2. В проекте принимали участие Bell Aerospace (США; платформа), Kodak (США; оптическая камера), BAE Systems (Англия; совокупность обработки).

WorldWiew-1 массой 2500 кг оснащен телескопом с зеркалом диаметром 60 см для съемки с разрешением 0,45 м лишь в панхроматическом режиме при ширине полосы захвата 16,4 км. WorldView-2 массой 2800 кг оборудован крупногабаритным телескопом с диаметром зеркала 110 см для съемки с разрешением 0,45 м в панхроматическом режиме и 1,8 м в мультиспектральном (восемь спектральных каналов). Ширина полосы захвата на местности при съемке в надир составит 16,4 км при высоте орбиты 770 км.

С целью достижения высокого качества изображения используются оптическая совокупность с высоким контрастом и оптимизированным отношением сигнал/шум, и разработка временной накопления и задержки сигнала (TDI) на многолинейных ПЗС-структурах (6 режимов накопления от 8 до 64 крат). Оба космических аппарата оснащены бортовыми регистраторами емкостью 2,2 Тбит и сверхскоростной (800 Мбит/с) радиолинией передачи данных. Срок активного существования — 7 лет и более.

Для повышения производительности в совокупности ориентации употребляются гироскопы управления моментом, каковые разрешают довести скорость перенацеливания телескопа на объекты съемки до 4,5°/с. Аппаратура может делать съемку в кадровом, маршрутном (а также сложной конфигурации, к примеру, на протяжении береговой линии, дороги, нефтепровода либо национальной границы), площадном (участки 60×60 км) режимах, а также в режиме формирования стереопар.

Рис. 3. Орбитальная группировка компании DigitalGlobe

Предусмотрена кроме этого возможность приёма информации и программирования съёмки на станцию клиента (виртуальный оператор) в течение одного сеанса связи. Коммерческая эксплуатация спутника WorldView-2 полностью обязана начаться в январе 2010 г.

Серьёзной изюминкой рассмотренных перспективных КА есть высокая точность координатной привязки изображений, которая достигается благодаря применению космической платформы с высокой стабильностью и улучшенной точностью определения ориентации спутника. Так, координатная точность изображений КА WorldView-1 без применения наземных контрольных точек оценивается в 5,8–7,6 м (СЕ90), с наземными контрольными точками в пределах снимка — в 2 м, с контрольными точками на соседних снимках — в 3–3,5 м (разработка Accuracy Transfer Service — ATS). Планируемая координатная точность изображений разрешит создавать карты масштаба 1:10 000 без применения наземных контрольных точек.

Сверхдетальные изображения отыщут использование при разработке широкомасштабных планов и карт местности, в разных тематических ГИС, при планировании муниципальный застройки, постройке дорог, линий связи, трубопроводов и других объектов инфраструктуры. При устойчивого развития рынка потребителями пространственных данных на базе космических изображений очень высокого разрешения смогут стать миллионы людей: водители машин, оснащенных навигационными компьютерами, пользователи ГИС, проектировщики, строители, страховые компании и др. Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 приведен на рис. 4.

Рис. 4. Фрагмент мультиспектральной съемки со спутника WorldView-2 с пространственным разрешением 50 см (Площадь Венеции, Рим)

Главные параметры радиолокационных космических аппаратов

Радиолокационные изображения смогут быть взяты независимо от освещённости и метеоусловий недалеко от цели и разрешают делать заявки на съемку в течение нескольких дней. Помимо этого, космические радиолокационные изображения позволяют создавать цифровые модели рельефа, а особые разработки интерферометрической съемки — определять незначительные подвижки грунта.

Учитывая, что существующие радиолокационные космические совокупности RADARSAT-1 (Канада), ERS-2, ENVISAT-1 (оба — ESA) и ALOS (Япония) снабжают разрешение на местности не лучше 8 м, что не отвечает современным требованиям, совершим сравнение лишь планируемых аппаратов очень высокого разрешения по главным параметрам (табл. 4).

Таблица 4. Характеристики радиолокационных КА

Наименование

Страна

Дата запуска

Разрешение, м

Диапазон

Захват, км

С у щ е с т в у ю щ и е

SAR-Lupe

Германия

19.12.06

0.5

X

5?5

TerraSAR-X

Германия

15.06.07

1.0

X

10?5

COSMO-Skymed-1

Италия

08.06.07

1.0

X

10

COSMO-Skymed-2

Италия

09.12.07

1.0

X

10

COSMO-Skymed-3

Италия

24.10.08

1.0

X

10

П л а н и р у е м ы е

COSMO-Skymed-4

Италия

2010

1.0

X

10

TerraSAR-L

Англия

2010

1.0

L

10

Tandem-X

Германия

2010

1.0

X

10?5

RISAT

Индия

2010

1.0

С

10

15 июня 2007 г. был запущен гражданский спутник TerraSAR-X (рис. 5), что обеспечил радарную съемку с разрешением 1 м. По силе действия на рынок геоинформатики это событие возможно сравнить с возникновением в свое время на орбите КА IKONOS-2 с оптической аппаратурой метрового разрешения. Радиолокационные изображения с разрешением до 1 м близки по качеству к высокодетальным оптическим снимкам, но наряду с этим смогут быть взяты при освещённости и любых метеоусловиях недалеко от цели.

Согласно данным русских компаний-операторов, результаты оптической съемки объектов в средней полосе России клиентам приходится ожидать от семь дней до месяца, тогда как радиолокационная аппаратура разрешит выполнить заявки в течение нескольких дней по окончании заказа. Помимо этого, космические радиолокационные изображения позволяют вырабатывать цифровые модели рельефа для топографических карт большую территорию, что с устаревшим фондом карт.

Радиолокационные изображения дополняют снимки, полученные в видимом и инфракрасном диапазонах, повышая количество дешёвой информации и ее достоверность. С возникновением радарных космических совокупностей с сопоставимым совокупностям видимого диапазона разрешением возможности дистанционного зондирования Почвы из космоса многократно возрастают. Вывод в космос орбитальных группировок из нескольких спутников, таких как SAR-Lupe и COSMO-Skymed, существенно повышает оперативность съемки.

Действительно, КА SARLupe и COSMO-Skymed не относятся к коммерческим проектам.  

Рис. 5 Спутник TerraSAR-X

Особые разработки интерферометрической съемки разрешают определять незначительные подвижки грунта — эти сведенья смогут быть использованы для контроля состояния трубопроводов, обнаружения нелегальных врезок в нефтегазопроводы и оценки сейсмоопасности. Интерферометрия комбинирует комплексные изображения, зафиксированные антеннами под разными углами наблюдения либо в различное время.

По итогам сравнения двух снимков одного и того же участка местности приобретают интерферограмму, воображающую собой сеть цветных полос, ширина которых соответствует разности фаз по обеим экспозициям. Благодаря высокой частоте излучения подвижки регистрируются с сантиметровой точностью.

Все сведенья предоставляются в цифровом виде, что снабжает однозначность и объективность интерпретации. Интерферометрия может рассматриваться в качестве альтернативы классической стереофотографической разработке для топографических карт. самый простой метод оценки смещений пребывает в сравнении пары разновременных спутниковых изображений.

Две интерферограммы разрешают распознать каждые трансформации, случившиеся на поверхности Почвы (оползни, предвестники землетрясений), и по колебаниям черт радиосигналов отследить смену влажности земли (неприятности подтопления).Для получения точных результатов нужно соблюдение последовательности условий, к примеру, выведение спутника для повторной экспозиции в область космического пространства, близкую к первой экспозиции; один сезон съемки (хоть и в различные годы) для сходного состояния отражающей поверхности (растительный покров, гидрогеологические условия).

Эти неприятности в большей мере решаются посредством тандема спутников, каковые перемещаются по одним и тем же орбитам с промежутком пролета 24 ч. Космическая информация со спутника TerraSAR-X может применяеться при картографировании, планировании муниципальный застройки, ликвидации последствий стихийных бедствий, в транспортном постройке, сельском и лесном хозяйстве. Маркетинг космической информации TerraSAR-X будет осуществлять компания Infoterra GmbH (Германия), которая предлагает зарубежным клиентам принимать радиолокационные изображения на личные приемные станции.

Космическое агентство Германии DLR ведет разработку дополнительного спутника Tandem-X, что будет запущен в 2010 г. для группового полета с TerraSAR-X в целях своевременной интерферометрической съемки с высокой точностью (рис. 6). Резюмируя, можно подчернуть, что эти дистанционного зондирования, полученные спутником TerraSAR-X, снабжают:

  • Наивысшее пространственное разрешение для радарных совокупностей (до 1 м);
  • Возможность круглосуточного всепогодного наблюдения за любыми объектами на земной поверхности;
  • Получение точных ЦМР посредством интерферометрических способов;
  • Мониторинг кроме того незначительных (до 1 мм) подвижек поверхности;
  • Высокую оперативность исполнения заказов.

Рис. 6 Спутники TerraSAR-X и Tandem-X

Оснащение спутника TerraSAR-X новейшим радаром с синтезированной апертурой, разрешающим делать съемку земной поверхности с беспрецедентным пространственным разрешением, делает названную совокупность одним из самые совершенных инструментов дистанционного зондирования Почвы (наровне с COSMO-Skymed). Спутник находится на солнечно-синхронной полярной орбите высотой 514 км, имеющей наклон 97,44°. Расчетный срок нахождения на орбите TerraSAR-X образовывает около пяти лет.

Радар делает съемку земной поверхности в X-диапазоне длин волн (3,1 см) с изменяемой поляризацией излучения (HH, VH, HV, VV), варьировать съемочными углами возможно от 20 до 55°. Характеристики КА TerraSAR-X приведены в табл. 5:

Таблица 5. Характеристики КА TerraSAR-X

Дата запуска: 15.06. 2007 г.

Спектральный диапазон

3,1 см – (X-диапазон)

Режимы

High Resolution SpotLight (Очень высокого разрешения)

SpotLight (Большого разрешения)

StripMap (Широкополосный большого разрешения)

ScanSAR (Среднего разрешения)

Номинальное пространственное разрешение

1 м

2 м

3 м

16 м

Размер сцены

5 км X 10 км

10 км X 10 км

30 км X 50 км

100 км X 150 км

Скорость передачи данных

300 Мбит/сек

Радиометрическое разрешение

8 бит

Формат файлов

CEOS

Обработка

Радиометрическая, сенсорная и геометрическая коррекция.

Приведение к картографической проекции, создание ЦМР, производных картографических продуктов

Периодичность съемки

Максимум — 4,5 дней, в 95% случаев – 2 дней

Срок исполнения заказа

1-3 дня для архивных данных

1-6 дней для съемки на заказ

Минимальная площадь заказа

Одна стандартная сцена для любого из 4 режимов

Высокая востребованность космической информации и действенная политика частного бизнеса и взаимодействия государства разрешили последовательности государств создать коммерческие космические совокупности очень высокого разрешения (до 0,4 м), каковые снабжают информацией национальные структуры на базе гарантированных контрактов, параллельно формируя продукцию для продажи в мире. Высокая борьба разработчиков космических совокупностей стала причиной значительному улучшению характеристик аппаратуры, сокращению сроков разработки совокупностей и уменьшению габаритных параметров КА.

Среди достижений направляться отметить изготовление зеркал телескопов из легковесных материалов, новейшую разработку их шлифовки и применение более идеальных матриц с размером пикселов 6–8 мкм, трудящихся по разработке временной накопления и задержки сигналов. В состав бортовой аппаратуры всех рассмотренных КА входят звездные и точные гироскопические датчики, приемники сигналов GPS, каковые употребляются для определения углового и пространственного положения аппаратов на орбите. Характеристики съемочной и измерительной аппаратуры разрешают создавать с применением космических снимков топографические карты масштаба 1:10 000 и мельче без наземных контрольных точек и топографические замыслы масштаба до 1:2000 при их наличии.

Лавров В.В., ГИА Иннотер

G Master. Сочетание высокого разрешения и красивого боке


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: