Реферат

Демчук Ю.А. Исследование программного обеспечения для обработки космических снимков ТК-350 с использованием снимков КВР-1000.

Место дипломирования – кафедра фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, руководитель – к.т.н., проф. Широкова Т.А., консультант – к.т.н., доц. Гиенко Г.А.

2005 Г., 135с., 22 табл., 34 рис., 4 прил., 37 источников

КОСМИЧЕСКИЕ СНИМКИ, СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ, ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ТЕСТИРОВАНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРАММНЫХ МОДУЛЕЙ

В работе выполнен обзор космических съёмочных систем и программного обеспечения для обработки космических снимков. Приведено краткое описание модулей программы Mftec, разрабатываемой для совместной обработки космических снимков ТК-350 и КВР-1000. В экспериментальной части приведены методы и результаты тестирования модулей программы.

По результатам тестирования модулей программы Mftec составлены замечания по их работе и рекомендации по совершенствованию модулей.

Работа выполнялась в рамках хоздоговорной темы совместно с компанией «Совинформспутник».

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ А 116

ПРИЛОЖЕНИЕ Б 123

ПРИЛОЖЕНИЕ В 129

ПРИЛОЖЕНИЕ Г 131

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день огромное значение для решения различных прикладных задач играет информация, полученная при помощи космических съёмочных систем. Круг решаемых по космическим снимкам задач весьма разнообразен: от наблюдений за состоянием окружающей среды, мониторинга, градостроения, строительства до составления и обновления топографических карт. Многообразие космических съёмочных систем позволяет выбрать необходимые данные для решения конкретной задачи.

Космические снимки, полученные различными съёмочными системами, отличаются по геометрии формирования изображения, пространственному разрешению, по детальности, по количеству спектральных каналов и по многим другим параметрам. Следовательно, при обработке космической информации необходимо учитывать особенности конкретной съёмочной системы, а также условия проведения съёмки. Многообразие космической информации, а также решаемых задач требует разработки соответствующего программного обеспечения.

На многих космических аппаратах устанавливают несколько съёмочных систем. Поэтому одной из проблем является разработка методов совместной обработки данных, полученных с различных съёмочных систем. Так топографическая камера ТК-350 и панорамная камера КВР-1000 установлены на одном носителе. Для построения и редактирования цифровых моделей рельефа (ЦМР) по космическим снимкам, полученных камерой ТК-350, компанией «Совинформспутник» разработана программа Z-Spase. Для выполнения совместной обработки снимков ТК-350 и КВР-1000 по заказу компании «Совинформспутник» разрабатывалась программа Mftec. Целью совместной обработки снимков является повышение информативности и точности обработки снимков ТК-350 за счёт «вклейки» фрагментов снимков КВР-1000. При разработке любого программного продукта требуется проведение тестирования и исследования работы его модулей, что и являлось целью данной дипломной работы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• выполнить обзор космических съёмочных систем;

• рассмотреть особенности съёмочных систем ТК-350 и КВР-1000;

• выполнить обзор существующих программных продуктов для анализа и обработки космических снимков;

• изучить алгоритмы модулей тестируемого программного обеспечения;

• освоить работу тестируемой версии модулей программы Mftec;

• выполнить эксперименты для определения достоверности получаемых результатов, наличия сбоев программы, удобства в работе и т.д.;

• выполнить анализ результатов экспериментов с целью определения наличия ошибок в работе программы Mftec и их источников;

• составить замечания по работе модулей программы Mftec и рекомендации по их устранению;

• написать инструкцию по работе с завершёнными модулями программы;

• определить трудоёмкость и себестоимость проведения научно-исследовательских работ;

• выполнить оценку научно-технической результативности научно-исследовательских работ;

• рассмотреть вопросы безопасности жизнедеятельности применительно к условиям проведения научно-исследовательской работы (НИР).

Методика решения поставленных задач. При выполнении исследований использовались теоретические и практические методы цифровой фотограмметрии, программирования. Эксперименты выполнены по реальным данным: космическим снимкам ТК-350 и КВР-1000. В качестве программных продуктов использовались: программный пакет Surfer 7.04 (Surface Mapping System), средства Microsoft Office (Microsoft Word, Microsoft Excel), графические редакторы Adoub Photoshop, Paint, программа для просмотра снимков QuickImageViewer, программные пакеты для просмотра и конвертации снимков ACDSee System и FotoCanvas Lite, пакет для решения математических задач MatLab 6.1.

Результаты тестирования и исследования модулей программы Mftec переданы разработчикам программного обеспечения. Работа выполнялась в рамках хоздоговорной НИР совместно с компанией «Совинформспутник».

Результаты исследований по теме дипломной работы были представлены в докладах на LII и LIII студенческих научно-технических конференциях, где отмечены дипломами второй и третьей степени, на Новосибирских межвузовских научных студенческих конференциях «Интеллектуальный потенциал Сибири» на секции «Перспективные наукоёмкие технологии» в 2004 г. и на секции «геодезия и кадастр» в 2005 г.

Результаты опубликованы в сборнике тезисов докладов Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», 2004 г.

Дипломная работа состоит из пяти глав.

В первой главе сделан обзор космических съёмочных систем, а также программного обеспечения для обработки космической информации.

Вторая глава посвящена краткому описанию алгоритмов модулей программы совместной обработки космических снимков ТК-350 и КВР-1000, Mftec.

В третьей главе описаны применяемые методики и результаты тестирования модулей программы Mftec.

Четвёртая и пятая главы посвящены вопросам экономики и безопасности жизнедеятельности при выполнении научно-исследовательских работ.

1. ОБЗОР КОСМИЧЕСКИХ СЪЁМОЧНЫХ СИСТЕМ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

1. Задачи, решаемые по космическим снимкам

Данные дистанционного зондирования, полученные с помощью космических систем, используются для решения более 300 различных задач в самых различных областях знаний, таких, как градостроительное и региональное проектирование, экология и охрана окружающей среды, землеустройство, сельское хозяйство, строительство и т.д.

На основе космических снимков могут обновляться и создаваться заново: схемы использования земель, функционального зонирования территории, карты современного состояния территории, ландшафтные, растительности и многие другие [1].

По данным космической съёмки выполняется как тематическое, так и топографическое картографирование, в том числе и труднодоступных территорий таких, как Антарктида [2]. Успешно развивается технология обновления карт по космическим снимкам.

Данные космической съёмки, а также результаты их обработки (карты, цифровые модели рельефа и местности) можно использовать для решения ряда природоведческих задач, таких как [2]:

• планирование экономического развития и управления природопользованием в пределах крупных регионов;

• гидрометеорологическое прогнозирование;

• изучение недр и поиск природных ископаемых;

• изучение агропромышленных ресурсов и условий; оценка земельного фонда; картографирования почв; выявление эрозионной опасности и засоления почв; разработка проектов землеустройства, инвентаризации естественных кормовых ресурсов;

• инвентаризация лесного фонда; обнаружение участков леса, пораженных вредителями, болезнями и пожарами; лесоустройство; планирование и проектирование лесоразработок;

• оценка водных и гидроэнергетических ресурсов, определение запасов поверхностных вод, наблюдение за состоянием мелиоративных систем;

• инженерная оценка местности; оценка грунтовых вод; селевой, лавинной, оползневой, сейсмической опасности; разработка проектов крупных инженерных коммуникаций и сооружений; строительство гидротехнических объектов, автомобильных и железных дорог, нефте- и газопроводов, линий электропередач и др.;

• изучение шельфа, обнаружение биопродуктивных зон в морях и океанах, выявление перспективных районов добычи рыбы и морепродуктов;

• изучение динамики природных процессов, контроль за состоянием окружающей среды;

• комплексное многоаспектное изучение природно-экономического потенциала в пределах крупных регионов.

Значительное число задач, решаемых по материалам космической съёмки, вызывает необходимость использования различных съёмочных систем.

2. Классификация космических съёмочных систем

1. Классификация съёмочных систем по геометрии формирования изображения

Существует множество классификаций съёмочных систем (СС), в основе которых лежат различные признаки. Одними из основных признаков классификаций СС являются: геометрические принципы и физический способ построения изображения, пространственное разрешение, масштаб съемки, спектральный диапазон. Кроме этого существуют классификации по обзорности получаемых снимков, по повторяемости съемки, по детальности изображения, по технологии получения снимков, по числу каналов и др.

По геометрии формирования изображения съёмочные системы можно разделить на:

• кадровые;

• панорамные;

• щелевые;

• сканерные съёмочные системы.

Кадровыми съёмочными системами снимки формируются практически мгновенно по законам центральной проекции. В кадровых съёмочных системах используются центральные и роторные затворы.

В панорамных съёмочных системах при формировании изображения объектив вращается вокруг узловой точки в направлении перпендикулярном направлению движения носителя. Снимок получается путём последовательного перемещения щели по поверхности плёнки [3]. Радиус цилиндра, на котором размещается плёнка, равен фокусному расстоянию объектива [4]. При панорамном фотографировании для построения изображения используется только часть поля зрения объектива, которая характеризуется наилучшим качеством изображения и наилучшей разрешающей способностью. Панорамные камеры не имеют затвора, а его роль выполняет щель [3]. Время экспозиции определяется шириной щели. При работе панорамного фотоаппарата необходимо осуществлять механическую или оптическую компенсацию сдвига изображения [4].

В щелевых съёмочных системах (частный случай панорамной съёмки) фотографирование осуществляется на непрерывно движущуюся плёнку. В этом случае оптическая ось объектива совпадает с направлением местной вертикали, а щель располагается в плоскости, перпендикулярной к направлению полёта носителя [3]. Экспонирование производится через неподвижную щель, максимально близко расположенную к плёнке. Время экспонирования будет зависеть от ширины щели и соотношения скоростей летательного аппарата и перемещения плёнки [4]. Щелевой снимок имеет вид ленты (рулона). Движение плёнки осуществляется со скоростью, равной скорости движения изображения и, следовательно, компенсируется смаз изображения [3].

Формирование изображения в оптико-механических сканерах осуществляется с помощью зеркал (призм, линз и т.д.). Зеркало устанавливается под углом 45 к направлению вращения, перпендикулярному линии направления полёта. Зеркало проецирует поступающую энергию на детекторы, в которых вырабатывается электрический сигнал. Регистрация сигнала возможна на фотоплёнке или на магнитном накопителе с последующей трансляцией по радиоканалам [2].

За счет высокой частоты вращения зеркала образуется сплошное изображение зондируемой строки. Сканирование вдоль направления полёта осуществляется за счёт движения носителя. Первичное изображение полосы зондирования содержит искажённые образы вследствие нелинейной зависимости между скоростью сканирования в надире и на краях зоны обзора [2]. Проекция сканерного изображения сопоставима с центральной проекцией на цилиндрическую поверхность.

Другой принцип сканирования основан на использовании в качестве чувствительного компонента линеек, смонтированных из кристаллических детекторов [2]. Проекция строки – центральная, но каждая строка имеет свои элементы внешнего ориентирования.