Лекция 7. Космосъемка

Через 100 лет после начала аэрофотографирования стало возможным получение снимков земной поверхности со значительных расстояний, а также подобных изображений внеземных объектов. Все попытки подняться над Землей как можно выше с помощью стратостатов и мощных самолетов-лабораторий не позволяли перейти рубеж 20−22 км, что при использовании самых короткофокусных АФА (f_k = 50 мм) приводило к получению самых «сверхмелкомасштабных» аэрофотоснимков лишь до значений около 1: 200 000. При кадровом окне 18×18 см такой снимок охватывал территорию примерно 36×36 км.

С началом космической эры диапазон высот фотографирования чрезвычайно расширился — примерно от 200 км до десятков тыс. яч километров, в то же время интервал от 20 до 200 км остается пока «белым пятном». Велико и разнообразие технических средств фотографирования со спутников. Получила распространение аппаратура с разным размером кадрового окна — от 5×5 до 30×45 см и более, используется не только стандартная аэропленка, но и перфорированная 70-миллиметровая кинопленка. В зависимости от f_k масштаб спутниковых изображений (на оригинальном негативе) может быть от 1: 10 000 до 1: 100 000 000.

Изображения с таким интервалом масштабов, а главное, с огромным охватом снимаемой территории, как оказалось, обладают новыми удивительными свойствами в отношении дешифрирования. Мелкомасштабные космоснимки обширных территорий позволили увидеть те общие, можно сказать, основные черты местности, которые были скрыты на обычных аэроснимках, «маскированы» мелкими частными объектами. Эта новая информация становится доступной глазу человека благодаря явлению так называемой оптической генерализации, или «эффекта кальки», когда мелкие частные детали исчезают ввиду масштабных ограничений, а общие накапливаются и обозначаются. Иногда даже говорят, что космоснимки обладают эффектом «просвечивания» дневной поверхности Земли, позволяя рассмотреть такие скрытые объекты, как разломы-линеаменты, районы различного уровня грунтовых вод, почвенные разности и т. п. Однако, чтобы обеспечивать надежность таких данных, космоснимок должен обладать определенным качеством. С развитием космосъемки сформировался несколько иной критерий качества, отличный от применявшегося при обычном воздушном аэрофотографировании. Следует заметить, что при обычной аэрофотосъемке критерий качества широко не применялся, даже в ОПА-80 он не упоминается. Было хорошо известно, что если аэрофотографирование выполнялось точной фотограмметрической камерой типа АФА-Т, то качество негативов гарантировано, а различимость объектов местности зависит только от масштаба негативов. При создании топографических карт масштаб залета незначительно отличался от масштаба создаваемой карты, т. е. на таких снимках хорошо различались все необходимые для картографирования объекты. Если же была известна и высота фотографирования, то легко можно было оценить возможность использования данных снимков для измерения превышений: h_min = H_m/7000 при размере кадра 18×18 см.

Поэтому критерием качества не пользовались, помня о высочайшей геометрической точности аэроснимков. Совсем иная ситуация возникает при космической съемке, так как масштабы снимков отличаются на несколько порядков. При масштабах 1: 1 000 000−1: 10 000 000 минимальная различимая величина объекта составляет 5−50 м, а в случае использования нефотографических эмульсий достигает сотен метров. На рис. 7.21 приведен первый снимок всей Земли полностью, выполненный 21 сентября 1968 г. (в 12 ч 08 мин по московскому времени), когда носитель фотокамеры (АФА БА) — автоматическая станция «Зонд-5» — находилась на расстоянии 90 тыс. км от Земли. Серийный АФА БА имеет f_{k 400 мм, размер кадра 13×18 см. Величина изображения планеты оказалась в этом случае равной 56 мм, т. е. его масштаб — около 1: 225 000 000, а разрешение на земной поверхности — около 1,1 км, что позволяет уверенно различать контуры северных берегов Африки и Красного моря.}

Одновременно на рис. 7.21 наглядно представлена и главная проблема получения приемлемых космоснимков в видимой зоне электромагнитного спектра — это наличие облачности. Почти треть снимков, получаемых с каждого спутника, приходится отбраковывать, так как на них более 10% площади занято облаками. Хотя, как видно на рис. 7.22, и при 40% облачности почти половина снимка может быть с успехом использована. Есть трудности и с получением снимков точно заданной территории в заданное местное время, поскольку движением носителя-спутника не удается управлять, как самолетом.

На рис. 7.23 приведены орбиты спутников с разными углами наклонения и соответствующие возможные территории охвата при фотографировании. Среди различных видов орбит искусственных спутников большое значение имеет так называемая солнечно-синхронная, при движении по которой имеют место постоянные условия освещения земной поверхности. Особенность такой орбиты заключается в сохранении постоянного расположения ее плоскости относительно Солнца, т. е. за год плоскость орбиты должна повернуться в пространстве на 360°. В этом случае над каждой точкой Земли спутник может появляться в одно и то же местное время, точное значение которого зависит от времени его запуска. Освещенность вдоль трассы меняется только в зависимости от времени года.

По сравнению с обычными аэроснимками, на которых наибольшие геометрические искажения вызваны рельефом и углом наклона, на космоснимках эти искажения значительно меньше, но становятся ощутимыми другие, обусловленные рефракцией и кривизной Земли. Причем в большей степени сказывается влияние не атмосферной рефракции, искажающей результаты геодезических измерений на дневной поверхности Земли, а так называемой внутренней, или фотограмметрической.

Рис. 7.21. Первый космический снимок всей Земли полностью

Рис. 7.23. Орбиты спутников с разным наклонением

Влияние преломления световых лучей в тонком слое тропосферы практически не ощутимо в связи с огромной величиной высоты фотографирования (сотни километров). Влияние внутренней рефракции — преломления лучей света при переходе из космического пространства внутрь аппарата-носителя — на 1−2 порядка больше, этот излом достигает десятков угловых секунд.

Устранять искажения, выполнять различные процедуры преобразований фотоизображений в настоящее время стало значительно проще благодаря появлению цифровой фотографии, сделавшей возможной обработку с помощью цифровых (закодированных системой чисел) снимков.

В государственном терминологическом стандарте «Фотограмметрия» (ГОСТ Р 51 833−2001) из 62 терминов к новому и стремительно развивающемуся разделу информационных технологий получения и обработки изображений относится только один — «цифровая фотограмметрия» — «раздел фотограмметрии, относящийся к аналитическим методам обработки цифровых фотограмметрических снимков». Собственно определения цифрового снимка этот нормативно-терминологический документ не содержит, лишь в примечании указано, что «изображение, зафиксированное в аналоговом виде, называют фотограмметрическим снимком; изображение, зафиксированное в цифровом виде, называют цифровым фотограмметрическим снимком» .

Цифровая фотография получила широкое распространение еще в начале 1980;х гг., когда японская фирма «Sony» приступила к массовому выпуску нового типа камер, в плоскости прикладных рамок которых помещался не фоточувствительный слой, требовавший в последующем химической обработки, а матрица (около 1,5×2,0 см), содержащая несколько миллионов микроскопических полупроводниковых светочувствительных фотоэлементов — «пикселов» (акроним от picture element), их размер около 2×3 мкм.

Чувствительность таких элементов (до 800 единиц ISO) уже заметно превысила соответствующий показатель обычных черно-белых фотоматериалов; электрическое состояние, или освещенность (причем в нескольких зонах спектра), каждого пиксела мгновенно считывается и переправляется в память компьютера. Время экспонирования удалось заметно уменьшить, устранить из камеры само устройство затвора. Матрицу пикселов в русской литературе часто обозначают аббревиатурой ПЗС — «прибор с зарядовой связью» (от англ. CCD — Charge-Coupled Device), это устройство (при размере матрицы около 2×3 см) позволяет получать цветные изображения с информационной емкостью около 10 Мб.

В 1997 г. на страницах главного картографо-геодезического журнала России «Геодезия и картография» (№ 9) появилась статья «Экспериментальная цифровая аэросъемка» с несколькими иллюстрациями — воспроизведениями полученных цветных снимков 4×6 см. Указывая на возможность применения цифровой фотографии в картографо-геодезической отрасли, авторы тогда не упомянули о главном недостатке этой технологии, который так и не был устранен и продолжает сдерживать повсеместный переход аэрои космосъемочных камер на цифровую основу — это низкая по сравнению с обычными фотослоями разрешающая способность (большой размер пиксела). В англоязычной литературе единица измерения этого параметра обозначается dpi (от англ. dots per inch — различимое число точек на 1 дюйм). Для наилучших и самых дорогостоящих матриц в настоящее время этот показатель чуть-чуть превышает 1 000 dpi, или 40 лн/мм, что не позволяет без потери качества выводить на печать цифровые изображения более 10×15 см. Очевидно, в будущем этот порог будет преодолен и цифровые камеры полностью вытеснят аналоговые АФА. Пока же широко применяется «промежуточный» вариант: первичные негативы получают обычным аналоговым методом (негативы от 23×23 до 30×45 см), а затем их превращают в цифровые изображения путем сканирования или оптического копирования без уменьшения через матрицу-линейку с максимальным разрешением. Преимущества последующей компьютерной обработки цифровых изображений, в том числе и организации хранения непрерывно растущего фонда снимков, неоспоримы.

Применение цифровых снимков оказалось особенно эффективным при создании производных изображений путем преобразований исходного негатива. Прежде всего, это задачи трансформирования и ортотрансформирования снимков. Традиционные фотомеханические способы их решения постепенно вытесняются цифровыми, при которых каждый пиксел исходного изображения получает новое местоположение на преобразованном изображении, сохраняя свое значение оптической плотности. Для выполнения обычного трансформирования (устранения влияния угла наклона и изменения высоты фотографирования) в этом случае необходима привязка снимков, а для ортофототрансформирования, кроме того, требуется так называемая цифровая модель рельефа (ЦМР) — дискретная модель земной поверхности, представляющая собой совокупность пространственных координат множества точек — центров элементарных площадок этой поверхности или совокупность ее изолиний высот.

Наиболее существенные результаты дало внедрение цифровой технологии в процесс создания фотопланов и ортофотопланов. Самый опытный глаз фотограмметриста не сможет обнаружить такие явления, как биение контуров на порезах и различия почернений на соседних снимках, неизбежные при традиционном монтаже множества отдельных фотоотпечатков. Существующие в настоящее время программы перемещения пикселов на соседних снимках позволяют сводить неизбежные погрешности трансформирования, ведущие к появлению биения на порезах-стыках (производственный допуск до 0,4 мм), почти к теоретическому минимуму (до 1 пиксела), что далеко за пределами разрешающей способности глаза. Поэтому современные цифровые фотопланы зрительно воспринимаются как единый снимок.

Преобразование аналоговых снимков (первичных негативов) в цифровые изображения должно происходить без ощутимых потерь их качества — высокой геометрической точности и значительной фотометрической глубины (интервала оптических плотностей и числа ступеней их квантования). Предназначенные для этого высококачественные устройства, в отличие от обычных сканеров, называют сканерами фотограмметрическими. Они бывают только планшетного типа и обладают геометрической точностью не ниже 3−5 мкм (таков и размер пикселов их матриц), скоростью сканирования не менее 1,5 Мб/с, существенным размером кадрового окна сканирующего устройства (до 30×45 см) и высочайшей радиометрической разрешающей способностью (10−12 бит/пиксел, или более 2 тыс. уровней серого).

В настоящее время наилучшими считаются фотограмметрические сканеры ФС-30 московского завода ЭОМЗ, «Дельтаскан» и «Планскан» винницкого производственного предприятия «Геосистема», а также западноевропейские приборы Zeiss SCAI, DSW- 300 и ряд других.

Качество исходных изображений зависит от особенностей технических средств первоначальной съемки. В материалах геодезических работ редко указывают марку применявшегося теодолита, достаточно назвать среднюю квадратическую погрешность выполненных измерений. Иное дело в случае фотограмметрических съемок.

Между тем каждый из более чем 50 космических снимков (до 40×40 см), вошедших в изданный в 2004 г. 1-й том «Национального атласа России» (в 4 т.), сопровождается фрагментом мелкомасштабной карты с указанием охвата снятой территории и марки камеры. В атласе помещены снимки, полученные с помощью трех камер: КАТЭ-200, МК-4 и КФА-1000.

Знание типа съемочной камеры позволяет надежно оценить перспективы использования снимков. Так, камера КАТЭ-200 имеет размер кадра 18×18 см, фокусное расстояние 200 мм; у МК-4 при том же размере кадра фокусное расстояние 300 мм; КФА-1000 — более современный прибор, она имеет фокусное расстояние 1 000 мм при кадре 30×30 см. В зарубежных источниках обычно указывается не тип камеры, а спутник-носитель, съемочная аппаратура которого известна.

Указание на конкретный тип съемочного устройства позволяет получить сведения не только о размере кадра и величине фокусного расстояния камеры, но и о наличии нескольких изображений, получаемых одновременно на разных участках спектра электромагнитного излучения. Такие снимки, полученные с помощью традиционных фотографических слоев, называют многозональными, цифровые — чаще «мультиспектральными». Ранее в диапазоне видимого излучения (400−800 нм) обычно использовали 3−4 канала регистрации шириной около 100 нм. При использовании цифровой фотографии наметилась тенденция к заметному увеличению числа каналов (14, 36 и более) с одновременным их сужением (до 10 нм) и выходом за пределы видимого излучения — в инфраи радиозоны. Показательно, что наряду с многочисленными узкими каналами регистрации излучения используется основной канал, полностью охватывающий диапазон видимой зоны спектра. Этот широкий канал по аналогии с фотографическими слоями называют панхроматическим; он, как правило, обладает и максимальным разрешением по сравнению с остальными узкоспектральными.

Мировой фонд космоснимков неуклонно возрастает и в настоящее время насчитывает десятки миллионов изображений. Растет и круг коммерческих организаций — распространителей (дистрибьютеров) этой важной информации.

Постепенное вытеснение кадровых фотокамер оптико-электронными сканерами на основе ПЗС-линеек привело к появлению нового термина для обозначения космического снимка произвольного формата (вырезки из непрерывной полосы сканирования) — «сцена». Величина такой сцены или сцен при выполнении, например, конвергентной (Конвергентной называется одновременная съемка несколькими камерами, оптические оси которых непараллельны и обычно расположены под углом 20−30° друг к другу) стереосъемки тремя ПЗС-камерами (на рис. 7.25 одна камера направлена в надир, вторая наклонена примерно на 15° вперед, третья — на 15° назад), оговаривается заказчиком или предлагается фирмой-распространителем в единицах площади снятой местности (обычно в км ²), этим параметром определяется стоимость ПЗС-снимков (на 2007 г. в среднем около 7−10 долл. за 1 км ²). Фирмы-распространители (в России это Госцентр «Природа», «Союзинформспутник», «Совзонд», «СканЭкс» и др.) рекламируют свою продукцию в Интернете, иногда размещая в свободном доступе космоснимки с низким разрешением (примерно до 10 лн/мм), что привело к появлению еще одного нового термина — «квиклук» (от англ. — quicklook — быстрый просмотр), под которым понимается снимок, непригодный для фотограмметрических исследований, но позволяющий получить представление о местонахождении и площади сфотографированного участка земной поверхности.

Рис. 7.25. Конвергентная стереосъемка тремя ПЗС-камерами

О стремительности развития аэрокосмической техники свидетельствует тот факт, что цена снимка существенно снижается уже через три месяца после его изготовления, он становится «архивным», тогда как традиционная картографическая продукция считается достаточно современной и через три года после ее создания.