Аэрокосмические съемки и их особенности

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

" Иркутский государственный технический университет"

Кафедра «Маркшейдерское дело и геодезия»

(наименование кафедры) РЕФЕРАТ ТЕМА: «Аэрокосмические съемки и их особенности»

Выполнил: Хороших Е. Г. ИГ-11−1

Руководитель от кафедры Пластинин Л.А.

Иркутск 2014

• Введение
• Глава 1. Аэрофотосъемки
• Фотопленки и объективы, применяемые в аэрофотосъёмке
• Глава 2. Аэросъемки
• Глава 3. Космическая фотосъемка
• Глава 4. Космическая съемка
• Заключение
• Используемая литература

Подходя к изучению аэрокосмической съемки, важно отметить что это комплекс методов и средств дистанционного зондирования Земли и планет Солнечной системы.

Актуальность данной темы обусловлена тем, что наука XXI века не стоит на месте и научно-технические достижения последних лет в области создания и развития космических систем, технологий обработки, хранения, интерпретации и использования получаемых данных способствовали расширению круга задач, решаемых с помощью дистанционного зондирования Земли.

Методы аэрокосмической съёмки обеспечивают определение точного географического положения исследуемых объектов, процессов и явлений и получение их качественных и количественных биогеофизических характеристик.

Цели и задачи аэрокосмических съемок в геодезии и исследовании природных ресурсов Земли: метеорологические, природоресурсные (картографические), разведывательные (военные), геодезические

(навигационные), ретрансляционные (связь и телекоммуникации). Модель

аэрокосмической съемки природных и антропогенных объектов, основные

звенья информационного канала получения данных ДЗ.

Для полного и всестороннего рассмотрения работы, а также в качестве источника информации использованы некоторые научные методы исследования, в частности метод изучения и анализа научной литературы.

В работе представлены четыре основных раздела, которые полностью раскрывают суть данного исследования, а также приведены выводы к каждой главе. Материалами для написания работы послужили публикации известных ученых таких как: Пандул И. С., Уралов С. С., Абалакин В.К.

Глава 1. Аэрофотосъемки

Аэрофотосъёмка — фотографирование территории с высоты от сотен метров до десятков километров при помощи аэрофотоаппарата, установленного на атмосферном летательном аппарате (самолёте, вертолёте, дирижабле и пр. или их беспилотном аналоге).

Первая аэрофотосъёмка состоялась в 1858 г. над Парижем. Произвёл её французский фотограф и воздухоплаватель Гаспар-Феликс Турнашон, более известный под псевдонимом Надар.

Рис. 1. Первая фотография с воздуха

В 1887 году французский фотограф Артур Батут разработал и выполнил фотосъёмку с помощью воздушного змея.

Так в начале XX века немецкий аптекарь Юлиус Нойброннер запатентовал свой «Способ и средства для фотографирования пейзажей сверху» с помощью почтовых голубей.

Рис. 2. Голубь с камерой для аэрофотосъемки

В 1898 г. Тиле Р. Ю. — пионер аэрофототопографии и инженерной фотограмметрии в России, изобрёл панорамограф, использовавшийся с воздушного шара.

Первая полуавтоматическая камера, специально предназначенная для аэрофотосъёмки, была разработана русским военным инженером, полковником В. Ф. Потте в 1911 г. Применение аэрофотосъёмки для картографирования впервые произошло тоже на фронтах Первой мировой войны.

Фотопленки и объективы, применяемые в аэрофотосъёмке

Для увеличения качества и точности, полученных аэроснимков в настоящее время применяются аэрофотообъективы с высокой разрешающей способностью и малой дисторсией. Также широкое применение нашла аэроплёнка с очень малой деформацией. Падение освещённости по полю зрения должно быть наименьшим, а затвор должен обеспечить очень короткие (до 1/1000 с) выдержки, чтобы уменьшить нерезкость. Сама же аэроплёнка в момент фотографирования должна быть строго выровнена в плоскости.

На сегодняшний день аэрофотографирование производят на следующие типы плёнок:

· чёрно-белую панхроматическую;

· чёрно-белую инфрахроматическую;

· цветную;

· спектрозональную (особый тип пленок на которой изображение получается с преобразованной передачей цветов, дающей возможность резче подчеркнуть различия объектов).

К концу XX века использование нецифрового оборудования в профессиональной аэрофотосъёмке прекратилось.

Глава 2. Аэросъемки

Сканерная АС

Сканерная аэросъемочная система Геометрия сканерных снимков такова, что изображение формируется не одномоментно (как в фотографических системах), а построчно. Поэтому получаемые снимки не соответствуют центральному проектированию и требуют применения специальных методов фотограмметрической обработки. Первой съемочной системой такого типа является камера ADS40, впервые представленная фотограмметрическому сообществу в 2000 году на конгрессе ISPRS в Амстердаме (в настоящее время эксплуатируется около 50-ти таких камер).

Конструктивно камера ADS40 включает семь параллельных ПЗС-линеек, расположенных в фокальной плоскости однолинзовой системы. Три из них осуществляют регистрацию изображения в панхроматическом диапазоне; четыре других ПЗС-линейки предназначены для формирования изображения в красной, зеленой, синей и ближней инфракрасной зонах спектра. ПЗС — линейки роматического диапазона являются сдвоенными, причем, двиг одной линейки относительно другой равен 0,5 пиксела. Одна из этих сдвоенных линеек направлена вперед, другая — отвесно вниз (в надир), а третья — назад (рис.5).

Рис. 5. Принципиальная схема сканирования камерой ADS40

Технология обработки результатов съемки камерой ADS40 довольно специфична и предполагает выполнение так называемой предобработки, заключающейся в преобразовании изображения от уровня 0 к уровню 1 с помощью программы GPro, поставляемой вместе с конкретной камерой ADS40. Следует подчеркнуть, что при сканерной съемке отсутствует понятие «снимок», которое заменяется понятием «ковер» (рис.5), что вносит некоторые особенности в технологию обработки полученных материалов. Однако интерфейс программы Photomod построен так, что для оператора не имеет значения, данные какой камеры он обрабатывает, и он всегда выполняет одни и те же стандартные операции, хотя их содержание в различных случаях не одинаково, и всегда учитывает геометрическое особенности построения изображения. Конструктивные особенности камеры таковы, что точность обработки стереоскопического изображения оказывается несколько выше, чем для кадровых камер, обеспечивающей получение центральной проекции. Так, при обработке данных ADS40 точность взаимного ориентирования характеризуется величиной остаточного поперечного параллакса порядка 1 пиксела (6 мкм), что почти в два раза выше, чем регламентируется нормативными документами по фотограмметрическим работам. Дальнейшая фотограмметрическая обработка данных включает стандартные операции по построению фотограмметрической сети, цифровой модели рельефа, ортотрансформированию, стерео — или моновекторизации и другие, часть которых может быть выполнена в автоматическом режиме.

Цифровая АС

В качестве примера использования камер среднего формата приведем данные, полученные в ОАО «Мосгипротранс». Для выполнения работ использовалась камера DSS 301

(f = 35 мм) канадской компании Applanix, лазерный сканер компании Leica ALS 50. Съемочное оборудование устанавливалось на вертолете МИ-8; съемка выполнялась с высоты 300 м, при скорости полета 120−150 км/час. Калибровка съемочной системы выполнена по предварительно замаркированным опорным точкам, размещенным по стандартной схеме. Наличие на борту вертолета комплекса GPS/UMI, представленного GPS-оборудованием и инерциальной системой, позволило получить угловые и линейные элементы внешнего ориентирования каждого снимка и автоматически получить накидной монтаж снимков, и выполнить прямое геопозиционирование. В этом проекте проводилась комбинированная обработка цифровых снимков и материалов лазерного сканирования с большим количеством точек (порядка 5 млн.), что позволило получить цифровую модель рельефа в автоматическом режиме, без выполнения стереофотограмметрических измерений. Дальнейшая фотограмметрическая обработка проводилась по стандартной схеме и предполагала изготовление ортомозаики в масштабе 1: 1000 (рис.6). В результате выполнения проекта было установлено, что точность результатов существенно зависит от того, какие данные использованы, в частности:

? прямое геопозиционирование по данным системы глобального позиционирования и инерциальной системы (GPS/UMI) выполняется с точностью порядка 30 см;

Рис. 6. Фрагмент ортоизображения масштаба 1: 1000

? дополнительное использование фотограмметрических связей повышает точность получения выходной продукции до 25 см;

? совместное использование данных геопозиционирования, фотограмметрических связей и хотя бы минимального числа опорных точек повышает точность результатов до 15 см. В целом эти выводы подтверждают результаты многочисленных экспериментальных работ, в соответствии с которыми максимальная точность прямого геопозиционирования достигается при использовании некоторого количества наземных опорных точек.

Радиолокационная АС

Радиолокационная (радарная) аэросъемка относится к числу активных и предназначена для регистрации отраженных наземными объектами электромагнитных волн радиодиапазона (от нескольких мм до нескольких м), источником излучения и приемником которых служит установленная на носителе радиолокационная система. В картографии наибольшее применение находит радиолокационная станция бокового обзора, работающая в интервале волн 1−3 см. Сканирование ведется с помощью особого антенного устройства и обеспечивает получение изображения местности в виде двух широких полос, параллельных линии полета. Преобладающие масштабы радиолокационных аэроснимков 60 000−1: 400 000. Наибольшее разрешение деталей на местности 3−5 м. Характер воспроизведения на этих аэроснимках наземных объектов определяется и различной интенсивностью отражения ими радиоволн, которая в свою очередь зависит от свойств и формы объектов, крутизны и направления склонов рельефа. Изменяя, с учетом этих особенностей, основные параметры станций (длину волн, частоту и форму импульсов), добиваются требующегося разделения на аэроснимках изображений изучаемых объектов. Радиолокационная съемка может выполняться вне зависимости от времени суток и состояния атмосферы, т. е. является всепогодной. Благодаря способности радиоволн проникать на десятки см в земную поверхность основная сфера ее применения — геологическая разведка и изучение льдов. Особенно существенно, что при этой аэросъемке, по сравнению с обычной фотографической, обеспечивается значительно лучшая дешифрируемость разрывных тектонических нарушений, характера горных пород под растительностью, снегом и поверхностными наносами, механического состава (в особенности размеров частиц) последних и наличия примесей металлов, структуры ледовых образований, трещин и русел талых вод в толще льда.

На радиолокационных аэроснимках четче воспроизводятся наземные объекты, приуроченные к глубоко затененным участкам. Поскольку по этим снимкам может быть построена стереоскопическая модель местности (с точностью определения высот до 15 м), они используются при изучении некоторых труднодоступных районов (полярные пустыни, экваториальные джунгли с постоянной облачностью и др.) для создания топографических карт обзорного характера.

Глава 3. Космическая фотосъемка

Первая фотография Земли из космоса была получена 24 октября 1946 г. Запущенная в США с полигона White Sands автоматическая ракета V-2 вышла на суборбитальную траекторию с апогеем 105 км и сделала серию снимков Земли. Съемка производилась 35-ммкинокамерой на чёрно-белую киноплёнку.

Первая спутниковая фотография Земли была сделана 14 августа 1959 года американским спутником Explorer 6, а первые фотографии Луны — советским спутником Луна-3 6 октября того же года (во время выполнения фотографирования обратной стороны Луны).

Рис. 7. Первая фотография земли из космоса

Спутниковые изображения находят применение во многих отраслях деятельности — сельском хозяйстве, геологических и гидрологических исследованиях, лесоводстве, охране окружающей среды, планировке территорий, образовательных, разведывательных и военных целях. Такие изображения могут быть выполнены как в видимой части спектра, так и в ультрафиолетовой, инфракрасной и других частях диапазона. Также существуют различные карты рельефа, выполненные с помощью радарной съёмки.

Дешифрование и анализ спутниковых снимков в настоящее время все больше выполняется с помощью автоматизированных программных комплексов, таких как ERDAS Imagine или ENVI. В начале развития этой отрасли некоторые из видов улучшений изображений по заказу правительства США выполнялись фирмами-подрядчиками. Например, фирма ESL Incorporated разработала один из первых вариантов двухмерного преобразования Фурье для цифровой обработки изображений.

Технические характеристики

Разрешение спутниковых фотографий различно в зависимости от инструмента фотографирования и высоты орбиты спутника. Например, в ходе проекта Landsat была выполнена съёмка поверхности Земли с разрешением в 15 м, однако большинство из этих изображений до сих пор не обработаны.

Новые коммерческие спутники серии WorldView-1 фирмы DigitalGlobe имеют разрешающую способность в размере 50 см, то есть позволяют опознавать объекты на поверхности Земли размером менее полуметра. Спутник GeoEye-1 корпорации GeoEye имеет разрешение в надире в размере 41 см в панхроматическом диапазоне, но коммерческим потребителям до июня 2014 года были доступны снимки только с разрешением 50 см. В июне 2014 года министерство торговли США дало разрешение на продажу снимков с более высоким разрешением. В 2014 году GeoEye и DigitalGlobe планируют вывести на орбиту спутники третьего поколения GeoEye-2 и WorldView-3 с разрешением 25−30 см.

Спутниковая фотосъёмка часто дополняется аэрофотосъёмкой, которая позволяет получить более высокое разрешение, но имеет большую удельную стоимость (выражаемую в затратах денежных единиц на мІ). Также спутниковая фотосъёмка может быть скомбинирована с уже готовыми векторными или растровыми изображениями в ГИС-системах (при условии что на снимках устранены искажения перспективы и они соответствующим образом выровнены и смасштабированы).

Недостатки

Поскольку площадь поверхности Земли весьма велика, и разрешение аппаратуры спутниковой фотосъёмки также достаточно значительно, то базы данных спутниковых фотографий получаются крайне объёмными (десятки и сотни терабайт), а обработка изображений (в целях создания пригодных для использования изображений из «сырой» графической информации) — отнимает слишком много времени.

Кроме того, фотокамеры, установленные на спутниках, весьма чувствительны к погодным условиям, которые существенно влияют на качество снимков. Обычно крайне сложно получить изображения районов с высокой облачностью, например, вершин горных пиков.

Компании, запускающие коммерческие спутники, не переводят свои изображения в статус общественного достояния, а предлагают каждому лицензировать полученные от них изображения, поэтому возможность легального создания на их основе других продуктов сведена к минимуму.

Последняя проблема — это сохранение тайны личной жизни тех, кто не хотел бы быть «увиденным сверху», а также сохранение государственной тайны. Компания Google в FAQ сервиса Google Maps указывает: «Мы понимаем эти опасения, однако изображения, предоставляемые нашим сервисом, не отличаются от тех, что может увидеть каждый, кто пролетает и проезжает через ту же географическую точку». И хотя нет возможности окончательно знать про все намерения Google, вторая часть этого утверждения вполне поддаётся проверке.

аэрокосмическая съемка геодезия спутниковый

Глава 4. Космическая съемка

Космическая съёмка Земли, небесных тел, туманностей и различных космических явлений, выполняемая приборами, находящимися за пределами земной атмосферы. Снимки земной поверхности, полученные путём К. с., отличаются тем, что при целостном (и более объективном, чем на картах) характере изображения местности они охватывают огромные площади (на одном снимке от десятков тысяч км² до всего земного шара). Это позволяет изучать по космическим снимкам основные структурные, региональные, зональные и глобальные особенности атмосферы, литосферы, гидросферы, биосферы и ландшафты нашей планеты в целом. При К. с. возможна повторная съёмка местности в течение одного и того же полёта носителя, т. е. через краткие промежутки времени, что позволяет изучать динамику как природных явлений, периодических (суточных, сезонных и др.) и эпизодических (извержения вулканов, лесные пожары и др.), так и различных проявлений хозяйственной деятельности (уборка урожая, заполнение водохранилищ и др.).К. с. даёт основу для разработки комплексных мероприятий по борьбе с загрязнением воздуха, суши и морей.

Первые снимки из космоса были сделаны с ракет в 1946, с искусственных спутников Земли - в 1960, с пилотируемых космических кораблей — в 1961 (Ю.А. Гагариным).К. с. вначале ограничивалась фотографированием в видимом диапазоне спектра электромагнитных волн с непосредственной доставкой снимков на Землю (преимущественно в контейнерах с парашютом). Наряду с черно-белой и цветной фото — и телесъёмкой применяются инфратепловая, микроволновая, радарная, спектрометрическая и др. фотоэлектронные съёмки Аэрометоды. Съёмочная аппаратура принципиально та же, что и при аэросъёмке. Методами К. с. нашей планеты являются:

1) съёмки с высот 150−300 км с недолговременных носителей и возвращением экспонированных плёнок и регистрограмм на Землю;

2) съёмки с высот 300−950 км с долговременных носителей (на орбитах, при которых спутник находится как бы постоянно над освещенной стороной Земли) и передачей изображений на Землю с помощью радиотелевизионных систем;

3) съёмки с высоты примерно 36 тыс. км с т. н. стационарных спутников с доставкой фотоинформации на Землю путём применения тех же систем;

4) съёмки с межпланетных автоматических станций с ряда последовательно увеличивающихся высот (например, со станции «Зонд» с 60 и 90 тыс. км и т. д.);

5) съёмки Земли с поверхности Луны и ближайших планет, автоматически выполняемые доставленной туда регистрирующей фотоэлектронной и передающей радиотелевизионной аппаратурой;

6) съёмки с пилотируемых космических кораблей и пилотируемых орбитальных станций (первая — советская станция «Салют»). Средние масштабы космических снимков 1: 1 000 000 — 1: 10 000 000. Детальность изображения земной поверхности на снимках из космоса довольно значительна. Например, при рассматривании с 10-кратным увеличением фотографий масштаба 1: 1 500 000, полученных с борта «Салюта», на открытой местности видны основная гидрографическая и дорожная сеть, контуры полей, селения средних размеров и все города с их квартальной планировкой. Современные области использования К. с.: метеорология (изучение облачности, снежного покрова и др.), океанология (течений, дна мелководий и др.), геология и геоморфология (в особенности образований большой протяжённости), исследования ледников, болот, пустынь, лесов, учёт культурных земель, природно-хозяйственное районирование территорий, создание и обновление мелкомасштабных тематических и общегеографических карт. Ближайшие перспективы практического применения К. с. для изучения, освоения и охраны географической среды и естественных ресурсов Земли связаны с выполнением с орбитальных научных станций-лабораторий т. н. многоканальных съёмок (одновременно в нескольких спектральных диапазонах при одинаковой освещённости местности). Это увеличивает разнообразие и объём получаемой информации и обеспечивает возможность её автоматической обработки, в частности при дешифрировании космических снимков.

Заключение

Перечисленные методы съемок, решают разные задачи, связанные с дистанционным зондированием земли, и свидетельствуют об их широких возможностях. Поэтому космические методы и средства уже сегодня играют значительную роль в изучении земли и около земного пространства. Технологии идут в перед, в ближайшем будущем их значение для решения этих задач будут существенно возрастать.

Используемая литература

1. Пандул И. С. Геодезическая астрономия применительно к решению инженерно-геодезических задач. — СПб.: Политехника, 2010. — 324 с.

Дополнительная литература:

2. Уралов С. С. Курс геодезической астрономии. — М: Недра, 1979.

3. Абалакин В. К. и др. Геодезическая астрономия и астрометрия. — 2007.