CC BY
28
УДК 528.88
ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ
Александр Петрович Гук
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (913)734-60-35, e-mail: guk_ssga@mail.ru
Мария Михайловна Шляхова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования, тел. (960)779-62-25, e-mail: plazma_space@mail.ru
Рассмотрены вопросы современного состояния систем дистанционного зондирования, формирующих изображение. Отмечается быстрая смена технических и программных средств получения и обработки снимков и опережающие темпы развития систем сбора информации. В связи с этим основная проблема заключается в обработке получаемой информации и совершенствовании методов съемки. В ближайшее время следует ожидать совершенствования аппаратуры для съемки с БПЛА и методов обработки материалов съемки. Важным этапом является развитие гиперспектральных систем, формирующих изображения. Возможно, ожидать появление гибридных систем ДЗ, состоящих из съемочных систем различного типа. Особое внимание следует обратить на фундаментальное образование в области выполнения съемок и обработки данных, полученных с использованием БПЛА.
Ключевые слова: дистанционное зондирование, системы, формирующие изображения, БПЛА, развитие и перспективы методов ДЗ.
ASPECTS OF THE MODERN STAGE OF DEVELOPMENT OF REMOTE SENSING INSTRUMENT
Alexander P. Guk
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Professor, Department of Photogrammetry and Remote Sensing, phone: (913)734-60-35, e-mail: guk_ssga@mail.ru
Maria M. Shlyakhova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Photogrammetry and Remote Sensing, phone: (960)779-62-25, e-mail: plazma_space@mail.ru
The problems of the current state of remote sensing systems creation the image are considered. There is a rapid change in the technical and software tools for obtaining and processing images and information collection systems. In this regard, the main problem is the processing of the information obtained and improvement of the survey methods. In the near future, we should expect the improvement of methods and equipment for surveying with UAV. An important stage is the development of hyperspectral systems creating images.
It is possible to expect the emergence of hybrid remote sensing systems consisting of different types of surveying systems.
It is marked that, fundamental education in the field of surveying with UAV and processing of captured data is an important issue.
Key words: remote sensing, surveying systems, UAV, development and future trends of remote sensing.
Дистанционное зондирование буквально означает - получение информации об объекте бесконтактным методом. Понятно, что этот термин охватывает чрезвычайно широкий круг методов. Даже в привычном для нас употреблении этого термина как метода исследования окружающей среды это слишком большая область для анализа в одном докладе. Введем еще более узкое определение ДЗ - как метода исследования поверхности Земли и расположенных на ней объектов с использованием съемочных систем формирующих изображение. Однако, при этом еще более ограничим круг анализа, отделив методы связанные с глобальными исследованиями Земли и ее атмосферной, которые получили название Earth Observation. Таким образом, выделяется сравнительно узкий класс методов ДЗ, который, тем не менее, наиболее широко используется практически.
Даже введя такие ограничения, мы сталкиваемся с большим разнообразием технических средств, методов и технологий ДЗ, которые стремительно развиваются и соответственно расширяется сфера их использования.
Постоянно расширяется количество стран, имеющих национальные космические системы ДЗЗ. Так в начале 90-х годов XX века таких стран было 7, в 2000 году около 20, а в настоящее время более 30 (это касается только оптико-электронных съемочных систем) [1].
Выделим несколько классов съемочных систем: космические, аэросъемочные, системы, устанавливаемые на БПЛА, системы устанавливаемые на движущихся платформах (автомобили, суда), а так же стационарные системы, устанавливаемые на точках поверхности земли [2, 3].
Наличие широкого круга съемочных систем, возможность устанавливать их на носителях того или иного типа, позволяют выбирать необходимую полосу обзора, точность, детальность и заданный период обзора поверхности (возможность выполнять повторные съемки объекта при мониторинге).
Так, если взять группу космических съемочных систем для исследования природных ресурсов можно отметить, что их разрешающая способность составляет от 30 до 0,3 метра на местности, а полоса обзора от 100 до 8 км. Соответственно точность картографирования лежит в пределах от масштаба 1:100000 до масштаба 1:2000. Кроме того, в последнее время появилась возможность получать космические стереоснимки, позволяющие строить высокоточные пространственные модели местности.
На первый взгляд все обстоит просто великолепно и что же еще нужно пользователю данными ДЗ?
Отвечая на этот вопрос, остановимся на существенных изменениях в средствах ДЗ и технологиях съемки.
Во-первых, отметим, что многоспектральные космические съемки приобрели некоторым образом определенную типовую структуру: съемочные системы имеют панхроматический, синий, зеленый и красный, ближний ИК и сред-
ний ИК каналы, а в некоторых случаях и тепловой канал. Такой набор спектральных каналов имеют большинство многоспектральных съемочных систем. Также развиваются «специализированные» многоспектральные системы для исследования конкретных типов объектов, которые имеют дополнительные каналы, например два синих (голубой и синий) - для анализа водных объектов, два красных (ближний и дальний красные каналы) и, например два ближних ИК - для изучения растительности. С другой стороны развивается новая тенденция - создание группировок спутников, несущих многоспектральную съемочную аппаратуру и дополняющих друг друга, что позволяет вести детальный мониторинг. В качестве примера можно привести группировку спутников RapidEye [4].
Другое важное достижение в области современных космических съемочных систем - это получение снимков высокого разрешения (от 2,5м до 1м: SPOT-5, SPOT-6, SPOT-7, ALOS-2 и т.д.), и сверхвысокого разрешения (от 1м до 0,3м: GeoEye, WORLDVIEW-3, Ikonos, Quik Bird, ALOS-3, PLEIADES-1A, PLEIADES-1B, KOMPASAT -5 и т.д.) [2, 3].
Российские космические съемочные системы хозяйственного назначения к сожалению отстают от зарубежных, однако в последнее время этот разрыв сокращается. Запущены космические многоспектральные съемочные системы «Канопус-В» (с разрешением 2,1м в панхроматическом и 10м в спектральных каналах) и Ресурс Дк-1 (1м, 2-3 м соответственно), а также Ресурс-П» (разрешение 1 м и спектральное разрешение 3-4 метра), имеющий 6 спектральных каналов (в том числе 2 красных и два ближних ИК канала). В ближайшее время планируется вывести на орбиту группировку спутников серии «Обзор-О» с расширенным набором спектральных каналов и улучшенным пространственным разрешением. Так же на борту устанавливается радарная съемочная система «Обзор-Р». Необходимо обеспечить стабильную работу этих спутников и тогда практически будет, достигнут уровень зарубежных стран в плане получения спектральной информации высокого разрешения. В свою очередь, необходимо в ближайшее время создать и развивать космические съемочные системы сверхвысокого разрешения (свыше 1 метра) открытые для широкого доступа [5, 3].
Что следует ожидать в ближайшее время? Конечно, для России важным этапом в развитии космических спутниковых систем станет создание полнофункциональной коммерческой многоспектральной съемочной системы сверхвысокого разрешения. Надеемся, что это произойдет в ближайшее время.
Так же, на наш взгляд, возможно ожидать лишь незначительного увеличения разрешающей способности коммерческих спутников, хотя вероятно, что в настоящее время, достигнут некоторый предел, и потребуется технологический скачек для существенного повышения разрешающей способности.
Необходимым для современного этапа развития ДЗ является создание надежных гиперспектральных космических систем большого формата. Эти системы должны формировать изображения, содержащие достаточно большое количество элементов, например 6000 х 6000 или 10 000 х 10 000. Это принципиально изменит возможности исследования поверхности Земли в оптиче-
ском диапазоне и позволит получать принципиально новую качественную информацию.
Аэросъемочные системы в настоящее время представлены цифровыми съемочными камерам кадрового и сканерного типа. Основной недостаток цифровых камер - небольшой формат снимка (6х6 см). Как отмечает профессор Г.Конечный «Мы мечтаем о цифровой камере с матрицей ПЗС, содержащей 900 млн. пикселей с размером пикселя 7 мкм, а имеем DMC с кадром 8000х14000 элементов и пикселем 12 мкм; Vexcel Ultra CamD - 7500 x 11500 элементов; ApplanixDSS - 4092 x 4077 пикселей.
Этот недостаток частично устранен созданием многокамерных съемочных систем (например, многокамерная съемочная система DIMAC, состоящая из 4 камер DMC форматом 4080 x 5440 элементов). В настоящее время создаются многокамерные системы, содержащие 6-8 камер. Таким образом, следует ожидать как увеличения количества элементов в матрице приемника (что связано с решением ряда проблемам физического плана), так и увеличения количества камер, смонтированных в одном корпусе. Это уже реализовано в настоящее время, хотя и имеются сложности в конструкции камер и методах монтирования единого изображения. Но основная проблема это конечно стоимость».
Конкурентами кадровых камер являются сканерные съемочные системы, которые, однако, имеют очень существенный недостаток, связанный с изменением угловых элементов внешнего ориентирования и скоростью движения носителя, в процессе формирования изображения. Этот недостаток устраняется двумя путями:
- путем стабилизации угловых колебаний и стабилизацией путевой скорости носителя;
- путем измерения угловых элементов ориентирования носителя (с помощью INS, IMU и линейных элементов внешнего ориентирования с помощью ГЛОНАСС, GPS) и последующего учета этих параметров в процессе формирования изображения.
Таким образом, совершенствование систем навигации носителя и стабилизации камер приведет к появлению высококачественного изображения, сравнимого с геометрической точки зрения с кадровыми камерами. Современные сканеры имеют до 8 спектральных каналов, высокое разрешение, и большую полосу обзора.
Перспективным направлением развития аэросъемочных систем является создание гибридных съемочных систем, например комбинация цифровой съемочной системы и лазерного сканера, размещенных в одном корпусе (RCD 100) или комбинацией линейного цифрового сканера и многокамерной цифровой системы [6, 7]. Это направление позволяет создавать прорывные технологии сбора и фотограмметрической обработки данных, существенно расширяющих возможности ДЗ.
Получение полноформатных гиперспектральных изображений позволит существенно расширить возможности методов дистанционного зондирования.
Наконец, съемки с БПЛА. Это «модное», но в тоже время и весьма перспективное направление развития средств ДЗ. Появились принципиально новые возможности детальной съемки объектов. Съемка с БПЛА незаменима при создании 3Б моделей, ортофотопланов и реальных фотопланов небольших участков; при выполнении кадастровых работ, съемке архитектурных сооружений, интерьеров и т.д.
Наиболее важным событием в развитии технологий БПЛА стало создание прецизионных фотограмметрических камер для БПЛА (например, ЯСВ-100), а также возможность установления на БПЛА совместно с цифровой камерой лазерной сканирующей системы.
В то же время некорректное использование средств БПЛА привело к большим проблемам в области сбора и обработки данных. Непрофессиональные пользователи выполняют работы по съемке отдельных участков, зданий и сооружений без надлежащего соблюдения требований инструкции и правильной оценки точности, выполненных работ. Большинство таких «ошибок» происходит из-за незнания принципов ДЗ и особенностей методов получения и обработки данных.
Это принципиально важный момент при внедрении в широкую практику новых технических средств и технологий, особенно при массовом их применении недостаточно подготовленными пользователями. Это может привести к тяжелым, с а порой катастрофическим последствиям (недавний пример - пожар в Кемерово).
Заключение.
1. Современные космические съемки обеспечивают получение широкого спектра данных с заданной точностью и периодичностью, необходимых при решении практически любых задач по мониторингу поверхности Земли в различных масштабах.
2. Требуется разработать специальную программу исследования существующих и перспективных аэрокосмических съемочных систем России, с целью исследования их качественных свойств и определения возможных сфер применения.
3. Наибольшее развитие средств ДЗ следует ожидать в направлении развития космических гиперспектральных съемочных систем.
4. Основной проблемой эффективного использования средств ДЗ является обработка больших объемов поступающих данных. В настоящее время используется не более 10% от всего потока поступающей информации, именно в этом направлении следует ожидать в ближайшее время положительных изменений, связанных с развитием методов, алгоритмов и программного обеспечения обработки данных. Таким образом, основное направление в развитии методов ДЗ -это разработка автоматических алгоритмов обработки данных, автоматическое распознавание образов на снимках, автоматическое создание карт и ортофото-планов по снимкам, построение 3Б моделей и поверхности рельефа на основе автоматической идентификации точек на снимке. Этому направлению посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов. В каче-
стве примера приведем ссылки на статьи, посвященные различным разделам обработки данных ДЗ, чтобы показать масштабность выполняемых работ [919]. Достигнуты значительные успехи в отдельных областях обработки данных ДЗ, однако до полной автоматизации обработки, а следовательно, до создания в значительной степени автоматизированных и тем более автоматических эффективных систем мониторинга еще очень далеко.
5. В области применения БПЛА для ДЗ следует разработать профессиональный регламент их использования, технологии съемки, методы обработки, алгоритмы и программное обеспечение. Поэтому в ближайшее время необходимо разработать технологии выполнения съемки (планирование съемки) с БПЛА, и технологию обработки снимков с соответствующей системой контроля.
6. Предлагается создать в СГУГиТ (на базе кафедры фотограмметрии и ДЗ) профессиональный центр по разработке технологий съемки и обработке данных, получаемых с использованием БПЛА, а также сертифицированный центр обучения с присвоением соответствующей квалификации, и открыть направление подготовки магистров «Применение БПЛА для построения высокоточных 3D моделей местности».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дворкин Б. А. Дудкирн С. А. Новейшие и перспективные спутники дистанционного зондирования Земли // Геоматика. - 2013. - № 2. -С.16-36.
2. Fabio Remondino, Markus Gerke. Oblique Aerial Imagery -A Review // Photogrammetric Week'15, Ed. d. fritsch, Wichmann, Berlin/Offenbach. - 2015. - P. 75-84.
3. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование методы и модели обработки изображений - Москва. - 2010. - Техносфера. - 560 с.
4. Дуглас К., Хайнен М. Rapideye: космическая съемка Земли и не только // Геоматика. - 2010. - № 4. - С. 64-67.
5. Космический комплекс оперативного мониторинга техногенных и природных чрезвычайных ситуации «Канопус-В» с космическим аппаратом «Канопус-В»№1», ФГУП «НПШ ВНИИЭМ». 2011. - 109 с.
6. N. Maiellaro, M. Zonno, P. Lavalle Laser scanner and camera-equipped uav architectural surveys // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XL-5/W4, 2015. - P. 381-386.
7. J. Li, B. Yang, W. Wu, W. Dai, C. Chen, X. Zou, M. Tiana 3D mobile mapping with a low cost uav system// The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-2/W8, 2017 5th International Workshop LowCost 3D - Sensors, Algorithms, Applications, 28-29 November 2017, Hamburg, Germany. - P. 127-132.
8. M. A. Altyntsev, S. A. Arbuzov, R. A. Popov, G. V. Tsoi, and M. O. Gromov UAV aerial survey: accuracy estimation for automatically generated dense digital surface model and orthothoto plan//The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLI-B6, 2016, XXIII ISPRS Congress, 12-19 July 2016, Prague, Czech Republic. - P.155-159
9. Чибуничев А.Г. Автоматическое построение плотного облака точек по множеству снимков на основе полуглобального метода отождествления соответственных точек // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - № 2. - С. 14-18.
10. Гук А. П. Автоматизация дешифрирования снимков. Теоретические аспекты статистического распознавания образов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. -№ 55. - С. 166-169.
11. Гук А. П., Шляхова М. М. Анализ эффективности применения метода главных компонент при использовании непараметрического статистического подхода к дешифрированию снимков // Региональные проблемы дистанционного зондирования Земли. IV Междунар. науч. конф. (Красноярск, 12-15 сентября 2017 г). - Красноярск, 2017. - С. 90-93.
12. Fawcett D., Schneider F.D., Schaepman M.E., Damm A., Verhoef W., Schlapfer D. Advancing retrievals of surface reflectance and vegetation indices over forest ecosystems by combining imaging spectroscopy, digital object models, and 3d canopy modeling // Remote sensing of environment. - 2018. - V. 204. - P. 583-595
13. Джоел ван Кроненброк, Шляхова М. М. Геозондирование окружающего мира в эпоху цифрового представление изображения Земли // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Пленарное заседание : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. - С. 3-12.
14. Чибуничев А. Г., Гук А. П. Фотограмметрия: вчера, сегодня, завтра // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2016. - № 2. - С. 3-9.
15. Чибуничев А.Г., Михайлов А.П., Старшов В.В. Автоматическое построение плотного облака точек по множеству снимков на основе полуглобального метода отождествления соответственных точек // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2015. - № 2. - С. 14-18.
16. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. - М.: Техносфера, 2006. -1072 с.
17. Гук А. П., Евстратова Л. Г., Алтынцев М. А. Разработка методики определения изменений границы леса по разновременным разномасштабным аэрокосмическим снимкам // Геодезия и картография. - 2015. - № 12. - С. 32-39.
18. A. Murtiyoso, P. Grussenmeyer, and N. Borlin Reprocessing close range terrestrial and uav photogrammetric projects with the dbat toolbox for independent verification and quality control // The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XLII-2/W8, 2017 5th International Workshop LowCost 3D - Sensors, Algorithms, Applications, 28-29 November 2017. - Hamburg, Germany. - P. 171-177
19. Helmut Mayer. from Orientation to functional Modeling for Terrestrial and UAV Images // Photogrammetric Week'15, Ed. d. fritsch, Wichmann. - Berlin/Offenbach. - 2015. - P. 165-174.
© А. П. Гук, М. М. Шляхова, 2018
