Тенденции развития коммерческого сектора оптической космической съемки

      Комментарии к записи Тенденции развития коммерческого сектора оптической космической съемки отключены

Тенденции развития коммерческого сектора оптической космической съемки

К. Навулюр (K. Navulur), Б. Бо (B. Baugh), Ф. Пацифици (F. Pacifici)

За последнее десятилетие был сделан большой прогресс в запуске и разработке спутников дистанционного зондирования Почвы для съемки как в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, так и в микроволновом. Доступ к коммерческим оптическим снимкам очень высокого разрешения стал вероятен еще 10 лет назад, с вводом эксплуатацию спутников IKONOS и QuickBird, что стало причиной увеличению интереса к космическим снимкам для целей картографии навигации. С того времени возможно замечать тенденцию повышения спроса, как на эти со спутников IKONOS и QuickBird, так и на снимки, полученные с нового поколения космических аппаратов, таких как WorldView-1, WorldView-2, GeoEye-1, а сейчас Pleiades-1A и Pleiades-1B.

На данный момент потенциал съемки очень высокого разрешения образовывает более 1,8 млрд кв. км в год, что в 12 раз превышает площадь поверхности суши Почвы. В ближайшем эта цифра может увеличиться до 2,4 млрд кв. км в год (в 16 раза больше площади поверхности суши Почвы). Не обращая внимания на огромные количества взятых данных, коммерческие провайдеры уверены, что сами по себе снимки не смогут удовлетворить всех потребностей клиентов.

Пользователи, трудящиеся в разных областях, нуждаются в правильной, целенаправленной, надежной, недорогой, своевременной информации и информационных сервисах, каковые предоставляются в форматах и формах, соответствующих определенной сфере деятельности. Коммерческая отрасль ДЗЗ находится на пороге информационной революции, ввиду того, что появляются новые спутники, каковые способны делать все более отличные снимки очень высокого разрешения и предоставлять доступ к ним и производной информации намного стремительнее.

Эти тенденции произошли благодаря технологическим усовершенствованиям, каковые содействовали повышению скорости обработки, облачным вычислениям, появлению новых и механизмам доставки способов извлечения информации. В совокупности эти факторы делают снимки и взятую данные более дешёвыми и рентабельными. Как продемонстрировано на рис.

1, в эволюции геоинформационной отрасли возможно выделить четыре этапа, любой из которых характеризуется своим собственным методом развития. Это — разрешение, точность геопозиционирования и точность съемки, скорость и аналитика. Разрешение космических снимков улучшалось чтобы соответствовать базисным геоинформационным задачам, стремясь достигнуть наивысшей детальности изображения.

Рис. 1. Четыре этапа эволюции геоинформационной отрасли

В течение многих лет отрасль продвигалась от стандартного метрового разрешения, пока не была преодолена отметка в полметра. Точность геопозиционирования и точность съемки стала приоритетной, как для правительственных структур, так и для коммерческих компаний, занятых составлением планов и карт для муниципального планирования, развития инфраструктуры и созданием автомобильных навигационных совокупностей.

Повышение скорости стало одним из главных требований пользователей, которым жизненно нужным был стремительный доступ к данным, применяемым для реагирования на чрезвычайные обстановки, их оценки и мониторинга риска и мониторинга. Благодаря достижениям на первых этапах, геоинформационная отрасль вступила в четвертый «аналитический» этап. Произошло решать такие задачи, как мониторинг объектов, оперативный мониторинг и анализ изменений «тёплых точек» в мире, таких как районы стихийных бедствий, социальных беспокойств либо антропогенных трагедий.

РАЗРЕШЕНИЕ

запуск и Проектирование более идеальных съемочных совокупностей стало причиной большому улучшению пространственного, спектрального и временного разрешения. Сенсоры с пространственным разрешением от метра и лучше разрешают выявлять небольшие объекты, такие как фрагменты жилых домов, промышленных строений, элементы транспортных и инженерных совокупностей. Мультиспектральные сенсоры предоставляют дополнительные возможности для различения похожих объектов.

Временной компонент, сочетающий в себе спектральные и пространственные параметры, может дать значительно серьёзную данные, к примеру, продемонстрировать динамику роста сельскохозяйственных культур. И наконец, спутники нового поколения имеют высокоэффективные совокупности управления камерой. Они способны к стремительному перенацеливанию, смогут делать десятки снимков одного и того же объекта под разными углами съемки.

Пространственное разрешение — величина, характеризующая размер мельчайших объектов, различимых на изображении. В конце 1990-х гг. мы стали свидетелями запуска первого спутника субметрового разрешения IKONOS. Отчетливой тенденцией ближайших лет просматривается появление спутников с более высоким разрешением.

На данный момент DigitalGlobe трудится над созданием коммерческого спутника с пространственным разрешением до 0,41 см. В ближайщее время, пара коммерческих операторов планируют запуск спутников с разрешением 1 м либо лучше. К примеру, планируется, что индийский спутник Cartosat-3 будет делать съемку с разрешением до 25 см.

На рис. 2 дано сравнение снимков с разрешением 1 м, 50 см и 30 см. К примеру, машины смогут быть найдены с некоей степенью неопределенности (в зависимости от их размера) на снимках с разрешением 1 м, тогда как при разрешении 50 см возможно различить их стекла.

Боковые зеркала, марку автомобиля возможно, разглядеть лишь при разрешении 30 см. Необходимо также подчеркнуть, что желтые линии на стоянке становятся четкими при разрешении 30 см, тогда как они чуть видны при разрешении 1 м.

Рис. 2. Повышение пространственного разрешения на оптических космических снимках

Спектральное разрешение связано с числом спектральных каналов, в которых ведется съемка. Любой из спектральных каналов рекомендован для конкретных приложений и может размешаться в видимом, ближнем инфракрасном (NIR), коротковолновом инфракрасном (SWIR) либо тепловом диапазонах. Коммерческие спутники первоначально имели четыре канала в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (VNIR).

Спутник компании DigitalGlobe WorldView-2 имеет восемь спектральных каналов в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Дополнительные каналы имеют значительно меньшую ширину (от 40 до 50 нм) если сравнивать с 100 нм либо более широкими полосами в обычных сенсорах VNIR.

На рис. 3 наглядно показаны «проходы» спутника WorldView-2 над прибрежной акваторией в восьми каналах от самых долгих до самых маленьких. Верхний левый снимок представлен в естественных цветах.

Рис. 3. Снимки со спутника WorldView-2 в разных спектральных каналах

Как возможно подметить, разные элементы местности видны при разных комбинациях каналов. К примеру, волны и морская растительность видны на при синтезе комбинации ближних инфракрасных каналов, тогда как структурные изюминки смогут просматриваться при применении более коротковолновых видимых каналов, таких как фиолетовый (coastal) и светло синий. Радиометрическое разрешение определяется чувствительностью сенсора к трансформациям интенсивности электромагнитного излучения.

Оно определяется числом градаций значений цвета, соответствующих переходу от яркости полностью «тёмного» к полностью «белому», и выражается числом бит на пиксель изображения. Радиометрические характеристики существенно улучшились сейчас от 8 до 11, и, в конечном итоге, до 14 бит на пиксель. Это определяет увеличение уровень качества изображения, и усиливает возможность извлечения информации из снимков, в т. ч. и в автоматическом режиме.

Временное разрешение определяется периодичностью, с которой возможно осуществлена вторичная съемка одного и того же участка района спутником (либо группировкой спутников).

С усовершенствованием оборудования, для того чтобы, к примеру, как гироскоп, сегодняшние спутники способны создавать съемку с все громадным отклонением от надира, что стало причиной возможности и колоссальному росту производительности скоро проводить съемку нужных объектов. Более высокому временному разрешению содействует кроме этого появление разработок, каковые разрешают снимать в обоих направлениях.

На рис. 4 продемонстрированы возможности всех пяти спутников DigitalGlobe. Группировка спутников DigitalGlobe способна создавать съемку любой страны мира и приобретать снимки каждый день на площадь более 3 млн кв. км.

Архив компании имеет городов мира большинства и полное покрытие стран, включая свежие снимки (не ранее трехмесячной давности). Угловое разрешение определяется свойством сенсоров спутника создавать съемку с отклонением от надира, и стереосъемку. Спутники способны снимать со большим отклонением от надира и полученные снимки смогут быть использованы для измерения высоты объектов, таких как строения либо нефтяные резервуары.

Рис. 4. Временное разрешение спутников DigitalGlobe

Многоразовые снимки определенной территории, полученные за один либо пара проходов, смогут употребляться для правильных 3D-моделей городов и цифровых моделей рельефа (ЦМР). Рис. 5 демонстрирует процесс автоматического создания реалистичной 3D-модели, начиная с планирования съемки (рис. 5а) до получения цифровой модели местности (ЦММ) с разрешением 2 м и ЦМР (рис.

5б) и, в конечном итоге, законченной модели города (рис. 5с).

Рис. 5. 3D-модель города, созданная по итогам многоразовой съемки

ТОЧНОСТЬ ГЕОПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ И ТОЧНОСТЬ СЪЕМКИ

Потому, что совокупности определения расположения становятся неотъемлемым элементом нашей жизни, высокая точность геопозиционирования и точность съемки — это два нюанса, нужные для применения снимков в данной сфере. Точность геопозиционирования снимков всегда улучшается — от средних неточностей в 23 м в начале 2000-х гг. до трех метров на сегодня.

Улучшение точности произошло, первым делом, благодаря более появлению и стабильным орбитам инновационных способов последующей обработки снимков, снижающих погрешности. Сейчас существуют разработке, каковые разрешают совмещать снимки с векторной информацией с высокой степенью точности.

Это, так именуемые, «Ortho второго поколения», в то время, когда новый снимок совмещается с базисной картой, и, со своей стороны, употребляется для обновления геопространственных данных, отображенных на данной карте. В ближайщее время точность обязана возрастать по мере улучшения спектрального разрешения.

Иначе серьёзной составляющей есть точность съемки объектов, проводимой в различное время. Это ответственный нюанс, что учитывается при поддержании и создании геопространственных баз данных долгих съемок. Рис. 6 иллюстрирует понятия точности геопозиционирования и точности съемки.

Как видно, новые спутники, такие как WorldView-1 и WorldView-2, имеют среднюю точность геопозиционирования 4 м, что возможно сравнить с точностью, приобретаемой при аэрофотосъемке.

Рис. 6. Повышение точности геопозиционирования космических снимков

СКОРОСТЬ

В то время, когда случаются события, такие как стихийные бедствия, снимки должны быть дешёвы пользователям в течение нескольких часов по окончании заказа. Компания DigitalGlobe создала сеть наземных приемных комплексов в мире, благодаря чему, снимки передаются, обрабатываются и поставляются пользователям в течение нескольких мин.. Скорость кроме этого возможно выяснить как время, требуемое для картографирования громадных территорий.

Применяя классические способы картографирования, картографы, в большинстве случаев затрачивают на создание точной карты от четырех до пяти лет. Но эти сроки совсем не приемлемы в современную эру развития геоинформационных совокупностей. Отрасль ДЗЗ начала использовать облачные вычисления и высокопроизводительные суперкомпьютеры с целью ускорить ответ данных задач.

На рис. 7 продемонстрированы покрытие безоблачными снимками территории Ме сики, взятыми в течение трех лет и соответствующая ортофотомозаика Северной Мексики, с разрешением 50 см, созданная компанией DigitalGlobe менее чем за три дня.

Рис. 7. Безоблачные снимки территории Мексики, полученные в течение трех лет и соответствующая ортофотомозаика Северной Мексики с разрешением 50 см

АНАЛИТИКА

На сегодня архив компании DigitalGlobe содержит снимки неспециализированной площадью более 4,5 млрд кв. км. В связи с тем, что возрастают потребности картографирования мониторинга и темпы Земли объектов и явлений в глобальном масштабе, растет кроме этого необходимость в информации для целей «принятия решений» и быстрого реагирования. Это требует от геоинформационной отрасли к переходу к таким способам, каковые до этого не использовались.

Приведем пример: компания DigitalGlobe применяет комбинацию автоматизированных разработок с применением аналитических способов для производных продуктов на громадные территории. Информационные слои, созданные посредством таких способов, имеют высокое спектральное, пространственное, и угловое разрешение, что разрешает создавать законченные производные информационные продукты, талантливые удовлетворить потребности клиентов во многих областях.

С внедрением способов краудсорсинга в геоинформационной отрасли фактически любой человек может оказать помощь дополнить данные. Приведем пример: торнадо обрушившееся на Оклахому в мае 2013 г., поставило задачу перед группировкой спутников DigitalGlobe скоро совершить съемки данной территории. По окончании проведения съемки, компания DigitalGlobe запустила собственную сравнительно не так давно созданную программу Tomnod Crowdsourcing System (TCS), дабы упростить извлечение информации из снимков.

Участники программы были способны скоро локализовать пострадавшие районы с целью поддержки и оказания помощи. Программу TCS есть самым действенным в чрезвычайных обстановках, в то время, когда нужно немедленное реагирование для стремительного принятия ответов.

Для оказания помощи программе TCS в Оклахоме, были размещены объявления в Facebook и Twitter, и на форуме CrisisMappers (интернациональное междисциплинарное сообщество, применяющее новые разработки для реагирования и предупреждения на появляющиеся гуманитарные чрезвычайные обстановки). Пользователи взяли краткое руководство, их попросили просмотреть снимки и выяснить уничтоженные строения, снесенные упавшие деревья и крыши. В течение 60 мин. участниками программы было выяснено более 15 000 пострадавших объектов, и «краудсорсинговая» карта разрушений срочно была опубликована в Интернете.

На карте (рис. 8) виден главный маршрут торнадо в виде уничтоженных строений (оранжевый цвет), идентифицированных участниками программы TCS. Вблизи от главного маршрута, возможно заметить строения со снесенными сильным ветром крышами (выделены синим цветом).

WORLDVIEW-3 Последние тенденции в геоинформационной отрасли не могли, не повлиять на конструирование нового спутника компании DigitalGlobe.

 
 

Рис. 8. Анализ ущерба, причиненного торнадо, совершённый в рамках программа TCS. Город Мур, штат Оклахома, США

Спутник WorldView-3, запуск которого ожидается в 2014 г., будет первым коммерческим спутником высочайшего разрешения с неповторимыми спектральными чертями, имеющим на своем борту пара устройств. Пребывав на орбите высотой 617 км, он будет вести съемку с разрешением 31 см в панхроматическом, 1,24 м в мультиспектральном режиме (видимый и ближний инфракрасный диапазоны) и 3,7 м в коротковолновом инфракрасном режимах (680 000 кв. км каждый день) со средним временем повторной съемки менее 24 часов и точностью направляться 3,5 м CE90 (либо лучше) без опорных точек.

Предполагается, что новый коротковолновый режим съемки (SWIR) окажет значительную помощь при картографировании и комплексном моделировании горных пород, почв и грунтов. Потенциальные области применения включают в себя: геологическое картирование, мониторинг районов и экологический контроль стихийных бедствий, разведку нефтяных месторождений, вторых нужных ископаемых и геотермальных ресурсов, и оценка вторых невозобновляемых ресурсов. Коротковолновый инфракрасный режим съемки (SWIR) определяется изюминками поглощения инфракрасного излучения паром.

Но в воздухе для этого излучения имеется пара территорий довольно не сильный поглощения. Это так именуемые «окна пропускания» инфракрасного излучения. Имеется три таких окна для которых в сенсоре WorldView-3 предусмотрены соответствующие каналы съемки. Первое окно включает в себя каналы с длиной волны около 1250 нм.

Они нужны изучения изюминок поглощения железа. Индексы вегетации, каковые чувствительны к содержанию жидкости в страницах, такие к примеру, как NDWI, кроме этого прекрасно прослеживаются в каналах спектра 1250 нм. Второе окно коротковолнового инфракрасного диапазона находится в полосе 1500–1750 нм. химические вещества и Искусственные материалы, такие, к примеру как пластмасса, стекловолокно, нефтепродукты, поглощают волны в данной части спектра.

Тут же кроме этого вероятно отделить лёд и снег от туч. Третье «окно пропускания» находится в полосе 2000-2400 нм. Главным тут есть поглощение волн минеральными породами. Посредством сенсора с достаточным радиометрическим разрешением вероятно определение и выявление минералов их состава.

Получение космических снимков как в видимом и ближнем инфракрасном (NIR), так и в коротковолновом инфракрасном диапазонах (SWIR) имеет собственные неповторимые преимущества, а также связанных с определением «прозрачности» состава и повышением атмосферы природных материалов. Из-за собственных химических особенностей, многие вещества и материалы имеют поглощения волн и свои особенности отражения спектра, что разрешает приобретать данные о них из космоса.

Это относится растительности, минералов, городских строений (в частности кровельных и стройматериалов и их способности переносить атмосферные действия), нефти (к примеру, ее утечки) и множества вторых техногенных объектов. В коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR) прекрасно различаются лёд и снег, и возможно отличить различные виды дыма, к примеру, идентифицировать дым лесного пожара (рис. 9).

Рис. 9. Снимки лесного пожара неподалеку от Лос-Анджелеса, штат Калифорния, 03.09.2009 г. Тогда как дым практически прозрачный, в диа- пазоне SWIR облака пара остаются непрозрачными а) композит в натуральных цветах (RGB) б) канал 2215 нм в диапазоне SWIR

В дополнение к сенсорам NIR и SWIR, снабжающим съемку в 17 каналов, спутник WorldView- 3 оснащен кроме этого сенсором CAVIS (сокращенно от Cloud, Aerosol, Water Vapor, Ice, Snow — облачность, аэрозоли, пар, лед, снег). Его основное назначение измерять характеристики составляющих атмосферы, нужные для улучшения качества снимков методом внесения соответствующих поправок.

Сенсор CAVIS снабжает съемку в дополнительных 12 каналах с разрешением 30 м в видимом и ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазонах, причем два канала имеют стереоскопические характеристики, что разрешает приобретать 3D-изображения на каждом проходе. Спектральные диапазоны WorldView-3 проиллюстрированы на рис. 10.

Сенсор CAVIS без сомнений улучшит возможности съемки, в особенности в районах с повышенной влажностью. Уровень качества изображения, которое не зависит от атмосферных условий, существенно повышает возможность анализа состояния обнаружения изменений и земного покрова, упрощает сравнение разновременных и взятых с различных сенсоров снимков, и разрешает извлекать данные, применяя физические значения. Рис.

11 иллюстрирует влияние коррекции снимка с применением данных сенсора CAVIS.

Рис. 10. Спектральные диапазоны спутника WorldView-3

Рис. 11. Влияние коррекция изображения с применением данных сенсора CAVIS

О КОМПАНИИ DIGITALGLOBE

Компания DigitalGlobe есть ведущим поставщиком коммерческих космических снимков геоинформационных решений и сверхвысокого разрешения, каковые оказывают помощь людям лучше осознавать трансформации, происходящие на отечественной планете и принимать верные ответы для улучшения судьбы людей, сохранению ресурсов и времени. Компания владеет и оператором спутников ДЗЗ очень высокого разрешения IKONOS, QuickBird, GeoEye-1, WorldView-1, WorldView-2 перспективного WorldView-3 (рис. 12).

Рис. 12. Группировка спутников компании DigitalGlobe

Космические снимки, полученные с отечественных спутников на всю землю способны удовлетворить самые взыскательные требования отечественных клиентов. Каждый день клиенты из армейских и разведовательных структур, правительственных агентств и гражданских организаций, аналитики и картографы, экологи, нефтегазодобывающие компании, эксперты из сферы транспорта, поставщики навигационных устройств ожидают эти и данные от компании DigitalGlobe, сохраняют надежду на ее технологии и опыт.

В январе 2013 г., компания DigitalGlobe объединилась в единую компанию с GeoEye. Объединенная компания способна обеспечить повышенные требования клиентов в космических снимках, приобретаемых неспециализированной группировкой спутников, и геоинформационных сервисах. Для получения дополнительной информации об его преимуществах и объединении возможно определить на сайте www.digitalglobe.com/combination

Перевод с английского языка и подготовка к публикации Б.А. Дворкина (Компания «Совзонд»)

[ОтУС] Бизнес в космической сфере. Опыт России и Европы


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: