СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕНЕМ И ОБЛАСТЬЮ СЪЕМКИ ПРИ ДИСТАНЦИОННОМ ЗОНДИРОВАНИИ
METHOD OF CONTROLLING TIME AND AREA OF SHOOTING WHEN REMOTE SENSING

Изобретение относится к метеорологии, в частности к способам оперативного прогноза состояния облачности при планировании съемки, и может быть применено при определении времени и области проведения спутниковой съемки при дистанционном зондировании.
Задача оптимального управления спутниковой съемкой вообще и, занимающий в ней значительное место аспект выбора свободных от облачности участков и временных интервалов в частности, появилась вместе с появлением самой спутниковой съемки и была наиболее актуальна в период использования фотохимических средств фиксации изображения ввиду большей ограниченности их ресурса, однако и в настоящее время задача остается актуальной так как неудачные снимки бесполезно тратят ресурс фотоприемника, систем ориентации и передачи.
В литературе отмечается, что существуют различия в задачах перспективного планирования и задачах оперативного планирования. (Горбушина Э.А., Котцов В.А. Облачность в планировании космической съемки Земли по результатам полета КК "Союз-22". // Исследование Земли из космоса. - 1981, №1. - c. 78-82). Причем первая решается с использованием статистической модели облачности (см также: Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. / Под ред. В.И. Сухих и С.Г. Синицына. М.: Лесная промышленность. 1979, с. 56-57), а вторая - с использованием динамической, прогностической модели облачного покрова при помощи оптимизационных численных методов на ЭВМ. Реализация в том числе оперативного планирования на основе прогнозных моделей позволила авторам получить снимки с баллом облачности меньшим чем в среднем по региону съемки.
Известен способ определения времени проведения спутниковой съемки при дистанционном зондировании, заключающийся в регистрации планируемых периодов проведения спутниковой съемки параметров земной поверхности в заданных районах, разработке прогноза моментов времени пролета спутника над заданными районами, разработке вероятностной модели распределения облачности над заданными районами в сезоны пролета над ними спутника и выборе последовательности моментов времени и режимов включения аппаратуры для реализации спутниковой съемки с учетом вероятностной модели распределения облачности над заданными районами и данными сети наземных метеорологических станций, поступающими во время пролета спутника над заданной территорией (Аэрокосмические методы в охране природы и в лесном хозяйстве. / Под ред. В.И. Сухих и С.Г. Синицына. М.: Лесная промышленность. 1979, с. 56-57).
Недостатком способа является невозможность его реализации в районах, где отсутствует высокая плотность наземных метеорологических станций, редкость получения результатов спутниковой съемки в таких районах, сильная зависимость от прогнозных моделей, низкая оперативность и точность по сравнению с предлагаемым способом.
Известны также различные способы выполнения операций при съемке и имеющие отдельные подобные элементы выполнения. Например, следующие:
- «Способ получения изображения земной поверхности с движущегося носителя и устройство для его осуществления» (Патент РФ №2498378 от 10.11.2013 МПК G03B 37/04, G01C 11/02), предназначенный для мониторинга обширных пространств и протяженных объектов, крупномасштабных топографических съемок и проектно-изыскательских работ, содержит сходные технические решения: съемку поверхности под углом к вертикали, использует перекрытие между соседними кадрами. Однако содержит и существенные отличия: используется несколько оптико-электронных фотоприемников причем все фотоприемники экспонируют одновременно в отличие от предлагаемого метода, где съемка ведется асинхронно.
- «Способ определения параметров фронтальной облачности» (Патент РФ №2003140 МПК G01W 1/00) включает периодическое получение спутниковых снимков поля значений радиационных температур в двух полосах ИК-диапазона длин волн: полосе поглощения водяного пара и в полосе прозрачности атмосферы (задавая максимальный интервал для кадров в двух диапазонах в 2 часа и диапазон 3-8 часов для последовательного получения таких пар), используя изменении (за время между съемками) значений радиационных температур в полосе поглощения водяного пара для нахождения различных параметров фронтальной облачности. Однако целом данный патент решает иную задачу.
- «Способ обнаружения облачных слоев и определения высоты их нижней границы» (Патент РФ №2154289 от 10.08.2000 МПК G01W 1/04, G01S 13/95) реализует по сути статистический метод обработки ряда измерений и направлен не на автоматический поиск, а на повышение достоверности и информативности выходных данных измерений в условиях многослойной разорванной облачности.
- «Способ определения высоты, направления и скорости движения нижней границы облачности» (Патент РФ №2321029 от 27.03.2008 МПК G01W 1/00), использует стереоэффект от неподвижных матричных фотоприемников, имеющих регулярную структуру положения пикселей с известными заданными параметрами взаимного расположения для определения методом триангуляции скорости и направления движения нижней границы облачности и направлен на повышение достоверности и точности измерений и расширение функциональных возможностей метеорологических наблюдений. Из существенных отличий от предлагаемой системы, помимо иного целевого назначения, стоит отметить использование стереоэффекта на двух приемниках, и обусловленную задачей многократность фиксации и анализ изменения состояний.
- «Способ определения высоты нижней границы облачности» (Патент РФ №2497159 от 27.10.2013 МПК G01W 1/00) использует скорость перемещения фрагмента облачного поля и определение высотной разности слоев для определения высоты нижней границы облачности. И предназначен для автоматизации определения высоты нижней границы облачности по в реальном масштабе времени и расширение функциональных возможностей метеорологических наблюдений. Из существенных отличий от предлагаемой системы, помимо иного целевого назначения, стоит отметить использование собственного движение облачности и широкопанорамной сканирующей системы.
- «Устройство для обработки панхроматических изображений (варианты)» (Патент РФ №2476926 от 16.06.2011 МПК G06F 17/17) имеет техническим результатом увеличение числа спектрозональных каналов, повышение спектральной избирательности каналов, спектрального разрешения устройства и линейного разрешения элементов спектрозональных и панхроматического изображений, получение попиксельного совмещения изображений разных спектрозональных каналов, уменьшение сложности устройства. И, хотя и может формально рассматриваться как один из вариантов технический решений реализации в составе камеры высокодетальной съемки, но имеет крайне малое отношение к назначению и техническим решениям предлагаемой системы.
- «Сканирующее устройство для дистанционного получения изображений» (Патент РФ №2498365 от 10.11.2013 МПК G02B 26/10) предназначено для получения с космических аппаратов спектрозональных изображений поверхности Земли и облачного покрова, а также для мониторинга тепловых аномалий и имеет результатом повышение радиометрической точности аппаратуры дистанционного зондирования Земли.
- «Система управления ориентацией и формированием изображения (варианты)» (Патент РФ №2153700 от 27.07.2000 МПК G06F 17/00) описывает систему управления, использующую данные глобальной системы местоопределения, бортовую ЭВМ, элементов управления ориентацией и наземные приемник и систему обработки для формирования изображения с высоким разрешением из набора изображений, полученных от группы спутников с частичным перекрытием кадра. В целом данная система хоть и рассматривает управление съемочным процессом, однако ставит иные задачи и никак не учитывает возможное помеховое влияние облачности.
Целью изобретение является повышение эффективности выполнения съемки в условиях изменения состояния облачного покрова.
В качестве прототипа выбран патент №2231811 «Способ определения времени проведения спутниковой съемки при дистанционном зондировании» от 27.06.2004 МПК G01W 1/00, заключающийся в предварительном планировании и коррекции моментов времени и районов проведения спутниковых съемок на основе учета краткосрочных прогнозов полей облачности в пределах возможной полосы обзора спутниковой аппаратуры и фактического положения облачности в период менее, чем за 6 часов до момента съемки и предназначенный для увеличения количества пригодных для практического использования спутниковых снимков, полученных при отсутствии облачности над заданными районами.
Такой же принцип решения задачи оперативного планирования сохраняется и в дальнейшем. В качестве источника для прогноза при этом используются различные данные - как наземных наблюдений так и спутниковых средств, однако сам прогноз и планирование осуществляются на земле. В результате период планирования оказывается достаточно велик для возможности появления заметной ошибки прогноза. Конкретно в указанном патенте управление производится на основе учета краткосрочных прогнозов полей облачности в пределах возможной полосы обзора спутниковой аппаратуры и фактического положения облачности в период менее, чем за 6 часов до момента съемки.
Недостатки способа прототипа по сравнению с предлагаемым, заключаются в возможной неточности прогноза в условиях значительно меняющееся за указанный период облачной обстановки и отсутствие текущей коррекции в план съемки, что с большей вероятностью может привести к неактуальности прогноза.
Поставленная цель достигается тем, что информацию об облачной обстановке в районе предполагаемой съемки получают непосредственно в процессе выполнения съемочных работ, перед выполнением съемки и дают разрешение на съемку наиболее приоритетного участка из программы съемки, с плотностью облачности меньше заданного порога.
При осуществлении предлагаемого способа непосредственно в процессе выполнения съемочных работ производят предварительное наблюдение облачности вперед по направлению полета, в полосе планируемой съемки, определяют распределение облаков в области предполагаемой съемки, оценивают фактическое состояние плотности облачного покрова и по полученным данным корректируют программу выполнения съемки.
Для реализации способа на спутник, помимо основного прибора дистанционного зондирования, под углом в направлении движения спутника устанавливается дополнительная бортовая камера предварительного обзора (КПО), поле зрения которой перекрывает полосу обзора основной камеры высокодетального наблюдения (КВС). Информация с дополнительной камеры непосредственно на борту космического аппарата обрабатывается бортовой ЭВМ с целью составления оперативной карты облачной обстановки, покрывающей в полосу обзора КВС. Затем по полученным результатам плотности облачности, по заданному порогу допустимой плотности осуществляют управление работой основной камеры КВС.
Определение наличия и распределения наблюдаемой облачности в поле планируемой съемки выполняется по результатам наблюдений камерой КПО по известным фотограмметрическим методикам. Например, для этого подходят многие методы классификации (K-средних, Байесовский классификатор, персептрон др.), использующие в качестве входных данных текстурные, частотные, статистические, и другие метрики и признаки, включая основанные на различии отражающей способности или коэффициента поглощения в различных спектральных каналах, и на оценке высоты объекта при помощи стереоэффекта, а также их комбинации (Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Методы и модели обработки изображений, (учебник). / Техносфера, Москва, 2010., гл. 9). Сами используемые в классификации признаки либо получаются непосредственно в результате съемки КПО (спектральные, стереометрические) либо являются производными от полученных с КПО снимков и вычисляются по известным методикам бортовой ЭВМ (текстурные, частотные, статистические). Обучение такого классификатора производят заранее на отобранных оператором образцах.
Оценка плотности облачности является частным результатом вышеприведенных оценок наличия и распределения облачности и вычисляется как отношение площади занятых облаками областей в пределах рассматриваемого участка к его общей площади.
На основе полученных таким образом данных и результатов производят выбор наиболее приоритетного, согласно заданным оператором коэффициентам, из свободных от облачности участков и выполняют съемку этого участка основной камерой.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение качества результатов выполняемой съемки, повышение результативности дистанционного зондирования, увеличение количества пригодных для практического использования спутниковых снимков и снижения случаев работы аппаратуры в моменты, дающие заведомо малопригодные результаты, непроизводительных затрат ресурсов, загрузки средств обработки. Это позволяет также повысить качество и оперативность выполнения наблюдений, а также снизить стоимость работ в связи с сокращением непроизводственных затрат.