Методы и средства моделирования систем дистанционного зондирования Земли из космоса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Методы и средства моделирования систем дистанционного зондирования Земли из космоса

Демин А.В., Денисов А.В.

Санкт-Петербург

Аннотация

В данной работе рассмотрены методы и средства моделирования системы дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса в оптическом диапазоне спектра излучения с целью оптимизации ее структуры и функциональных параметров. Структуру сложной информационно-измерительной системы дистанционного зондирования исследовать экспериментальным натурным путем очень сложно и весьма дорого в связи с симбиозом различных физических и технологических процессов происходящих в ней. Выход лежит в совокупном применении натурного и математического моделирования с применением современных IT-технологий, как на этапе создания, так и на этапе эксплуатации, с целью повышения методов и средств проектирования, а также улучшения контроля параметров аппаратуры перспективных космических систем (спектрального диапазона, физической светосилы, линейного разрешения на местности и производительности самой системы).

Ключевые слова: дистанционное зондирование поверхности Земли, космическая система, система приема и преобразования информации, объектив, приемная оптическая система, подстилающая поверхность Земли, космическая съемка, линейное разрешение на местности.

Свое развитие дистанционное зондирование поверхности Земли (ДЗЗ) из космоса в оптическом диапазоне спектра излучения (~ 0,4 ч 1,2 мкм) получило в конце 60-х и начале 70-х годов прошлого столетия. Аппаратура (на тот момент только осваивалась область не только ДЗЗ, но и всего космоса) первых космических средств дистанционного зондирования была трассового типа и определялась проекцией области измерений, на подстилающую поверхность Земли, представляющую собой линию. На сегодняшний момент в приемной оптической аппаратуре устанавливаются перспективные сканерные матрицы на базе приборов зарядовой связи. Они позволяют получать пространственную информацию, как о географических, так и техногенных процессах о поверхности Земли в видимом и инфракрасном диапазонах длин электромагнитных волн [1, 2]. Как правило, съемка из космоса происходит в панхроматическом и мультиспектральном режимах, позволяя тем самым получать пространственное изображение в различных диапазонах спектра излучения [3].

Рис. 1. - Принцип дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения

Панхроматическая съемка (ПХ) занимает весь видимый диапазон электромагнитного спектра излучения (~ 0,5 ч 0,8 мкм) и тем самым представляются в градациях черно-белых (серых) цветов и обладает более высоким линейным разрешением, чем мультиспектральная съемка (МС). Где, система приема и преобразования информации формирует несколько отдельных изображений для широких спектральных зон в следующих диапазонах ~ 0,5 ч 0,59, 0,6 ч 0,68, 0,7 ч 0,8, 0,73 ч 0,89, 0,8 ч 1,1, 0,9 ч 1,1 мкм [4].

Из представленных в таблице № 1 тактико-технических характеристик, и в соответствии с процессом приема и преобразования информации в оптическом диапазоне, представленном на рис. 1, можно говорить о том, что съемка из космоса является нестационарным процессом, захватывающим многие области науки, результатом которого является не только правильность работы всех звеньев системы, но и обеспечение количественного показателя на выходе - линейного разрешения на местности [5].

Таблица № 1 Качественные и количественные характеристики действующих систем дистанционного зондирования

Получаемую со спутника информацию можно рассматривать как результат прохождения ее от подстилающей поверхности Земли (ППЗ) через оптико-электронный тракт, состоящий из атмосферы и ее возмущений, системы приема и преобразования информации (СППИ) и объектива. Модель дистанционного зондирования в рамках теории линейных систем в виде следующего функционала

A_Сдзз = {B_{Атмосферы} C_{Атм.возмущений} D_Съемки E_СППИ F_{Объектива}},(1)

Где {B_{Атмосферы} B_{Атм.возмущений} C_Съемки D_СППИ E_{Объектива}} - суперпозиции оптических свойств атмосферы, оптических возмущений, изображение объекта съёмки и способов приёма и обработки оптической информации. информационный зондирование космос

В связи с вышесказанным при разработке сложных космических систем особенно широкое применение находят методы и средства математического моделирования, которые по сравнению с методами натурного и полунатурного моделирования обладают явными преимуществами в плане ресурсных и временных затрат. Поэтому математическое моделирование с применением IT-технологий является неизбежной составляющей научно-технического и технологического прогресса. Различными аспектами моделирования посвящено немало работ, и все они рассматривались и изучаются на данный момент времени для различных процессов - от экономических до физических. Но, как правило, для исследования сложных космических систем применяются в основном два типа математических моделей - аналитическое и имитационное. Классификация методов моделирования представлено на рис. 2 [6].

Рис. 2. - Классификация методов моделирования

Аналитическое и имитационное моделирование часто противопоставляются друг другу, в связи с тем, что общий функционал системы имитационной модели дистанционного зондирования составляется в виде одного или нескольких уравнений. А отличием аналитического подхода, является, то, что динамика космической системы учитывается при составлении функционала, а не реализуется в виде последовательностей операций. Остановимся на плюсах и минусах для данных методов чуть поподробнее.

Аналитические модели позволяют произвести наиболее полное исследование только в том случае, если получены явные аналитические зависимости, связывающие в полной мере вход и выход системы при известных начальных условиях, что возможно для сравнительно несложных моделей. Для сложных же систем, в которых явления и процессы, в них происходящие, многопараметричны и многообразны, что, именно, и имеет место, в частности, в системах дистанционного зондирования из космоса [7].

В этой связи, метод математического имитационного моделирования позволяет осуществить численное моделирование поведения подсистем космической системы ДЗЗ и их взаимодействия с учетом возмущений различной природы в течение заданного или формируемого периода времени. Тем самым, стоит говорить о том, что имитационная модель есть специальный аппарат, связывающий натурный и виртуальный эксперимент в едином программно-аппаратном комплексе, имитирующий полное функционирование системы дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения с сохранением всех физических и технологических процессов. Блок-схема имитационного моделирования системы дистанционного зондирования одним из многочисленных способов представлена на рис. 3 [8].

Рис. 3. - Блок-схема имитационного моделирования способом просмотра активностей блоков: M_t - модельное время имитируемого блока системы ДЗЗ (С_ДЗЗ); Алг - алгоритм имитации каждого имитируемого блока; ПО - программное обеспечение имитационного моделирования С_ДЗЗ по принятым аналитическим соотношениям.

Также следует отметить, что для имитационного моделирования применяются следующие методы:

- моделирование способом составления расписаний событий;

- моделирование транзактным способом;

- моделирование агрегатным способом;

- моделирование процессным способом.

Перспективность же метода способом просмотра активностей блоков состоит в том, что он является наиболее удобным по сравнению с выше представленными методами для имитационного моделирования системы ДЗЗ. Его преимущество, заключается в том, что представление системы в виде активируемых блоков позволяет в процессе моделирования управлять и изменять тактико-технические характеристики модели дистанционного зондирования, что крайне удобно при поиске оптимальных проектных решений. Имитационная модель системы дистанционного зондирования является отображением функционирования подсистем реального опытного образца. При этом ее, возможно, отобразить в различных математических соотношениях: математической структурной формой первого порядка, системой уравнений, макромоделью, дифференциальных уравнений, в виде пространственно-временной кинематической модели и других видах. Также имитационную модель ДЗЗ можно представить в матричном виде, где учитывается вся структура космической системы, которая (может быть) по сравнению с моделью дифференциальных уравнений имеет довольно простой вид, но сохраняет структуру модели в цельном виде в процессе всей имитации. Таким образом, общую имитационную модель С_ДЗЗ можно представить в следующем матричном виде (2)

(2)

Где F_{Объектива} - матрица хода лучей, входящих в объектив; F'_{Объектива} - матрица лучей, выходящих из объектива; F_{ОД Объектива} - матрица, представляющая собой оператор действия; E_СППИ - матрица действия СППИ; - вектор параметров СППИ; A_ДВ - матрица, учитывающая движение С_ДЗЗ по орбите; B_АТМ - матрица действия атмосферы; C_{Атм. возмущений} - матрица действия помех, фонов, дымки, турбулентности и т.д.; - вектор параметров помех, фонов, дымки, турбулентности и т.д.; - вектор управления съёмкой; М_КОЭФ - матрица постоянных коэффициентов С_ДЗЗ.

В связи с вышесказанным, представим основные имитационные модели дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения. Для этого воспользуемся представленной математической моделью (2), где построен процесс взаимодействия системы ДЗЗ с ППЗ образуя последовательность передачи оптико-электронного тракта: «С_ДЗЗ - атмосфера - граница действия возмущений - спектральный диапазон (входной сигнал) - поверхность Земли - спектральный диапазон (выходной сигнал) - граница действия возмущений - атмосфера - С_ДЗЗ».

На системном уровне СППИ представима в виде пространственного фильтра, характеризуемая функцией рассеяния (импульсная реакция) H₀(x', y', или в виде оптической передаточной функции (ОПФ) . Кроме этого, геометрические и энергетические преобразующие свойства оптической системы описываются спектральным коэффициентом пропускания ф₀(л). Распределение полезной составляющей спектральной освещенности в плоскости изображения x', y' СППИ связано с распределением спектральной ППЗ следующим выражением

(3)

Где - распределение спектральной яркости пространства съемочного объекта, отнесенного к координатам плоскости изображения;

- заданный апертурный угол съемки;

- спектральный коэффициент пропускания атмосферы.

В пространственно-частотной области соотношению (4) эквивалентно выражение (3), связывающее спектры входного и выходного сигналов через ОПФ СППИ

(4)

Где - Фурье-образ нормированной функции рассеяния для излучения с длиной волны ??.

(5)

Рассмотрим общие соображения по синтезу вида функции рассеяния ОПФ объектива космической системы. В качестве первого приближения принимается, что объектив не имеет аберраций, а качество формируемого в СППИ изображения ограничено лишь дифракцией на входном зрачке [9]. В этом случае функция рассеяния для объектива с круглым зрачком без экранирования имеет вид

(6)

Где - функция Бесселя первого рода первого порядка.

(7)

(8)

Где - предельная пространственная частота;

(9)

(10)

Где r₀ - эффективный радиус пятна рассеяния объектива.

ОПФ в этом случае имеет вид

,

При проектировании космической системы, в соответствии с задачами наблюдения, ОПФ СППИ с объективом должна иметь достаточно высокий уровень на пространственных частотах, необходимых для обеспечения заданной величины линейного разрешения на местности.

Например, спутники двойного назначения GeoEye-1 и WirldView-II реализованные в США обеспечивают просмотр ППЗ с проекцией пиксела в панхроматическом канале 0,41 ~ 0,46 м соответственно, первый в полосе захвата 15,2 км, а второй - 16,4 м с высоты орбиты 770 км и 684 км соответственно. При этом масса первого КА составляет 1955 кг, а масса второго - 2800 кг, диаметр входного зрачка телескопа - 1,1 м для обоих КА, эффективная длина строки СППИ - порядка 36 000 пикселов. Наблюдение производится одновременно в панхроматическом и мультиспектральном спектральных диапазонах съемок. Число спектральных диапазонов мультиспектрального канала в первом КА 4, а во втором - 8.

При описании линейного разрешения на первом этапе определяется разрешающая способность системы в фокальной плоскости. Вычисляется зенитный угол ж КА из точки наблюдения [10]

(11)

Где и - угол визирования на объект наблюдения относительно местной вертикали;

R₃ = 6371 км - средний радиус Земли;

H_КА - высота космического аппарата над поверхностью Земли.

Далее рассчитывается наклонная дальность съемки

(12)

затем в соответствии с определением оцениваемого показателя, линейное разрешение на местности представляется в следующем виде

(13)

Где f - фокусное расстояние объектива;

v- значение разрешаемой частоты в изображении, штр/мм.

Таким образом, в данной публикации в соответствии с теорией систем были рассмотрены и проанализированы методы и средства моделирования системы дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения. Показано, что имитационное моделирование на примере способа просмотра активностей блоков позволяет выполнить целенаправленное исследование опытного образца системы с целью оптимизации ее структуры и тактико-технических параметров. Приведены некоторые имитационные процессы и модели оптических информационно-измерительных систем дистанционного зондирования.

Литература

1. Гермак О.В. Использование данных дистанционного зондирования для экологического мониторинга опустынивания // Инженерный вестник Дона, 2013, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2013/2167.

2. Кузнецов К.К. Имитационное моделирование взаимосвязи инициаторов высокотехнологичных инноваций // Инженерный вестник Дона, 2009, №14 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2009/250.

3. Кутузов С. А., Марданова М. А., Осипков Л. П., Старков В. Н. Проблемы математического моделирования космических систем. - СПб: СОЛО, 2000 г. С. 228.

4. Демин А.В., Денисов А.В. «Моделирование функционально-параметрических характеристик систем дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения». Южно-Сибирский научно-технический вестник, выпуск № 1 (9). 2015 г. - С. 46-49.

5. Данные геоинформационной системы и космического мониторинга СОВЗОНД. - URL: sovzond.ru.

6. Демин А. В., Копорский Н. С. Имитационное моделирование информационно-измерительных и управляющих систем: Монография. - СПб: СПБГУ ИТМО, 2007 г. С. 139.

7. Малышев А.К., Ростиславский М.Б. К вопросу об оптимизации метода свободного поиска // Всероссийская компьютерная конференция «Поисковые алгоритмы в XXI веке». М.: Прогрессор, 2013. С. 175-186.

8. Торшина И. П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. - М.: Университетская книга; Логос, 2009

9. John R Jensen. Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective (2nd Edition). - М: Prentice Hall, 2006. P. 608.

10. Thomas Lillesand, Ralph W. Kiefer, Jonathan Chipman. Remote Sensing and Image Interpretation. - М: Wiley, 2007. P. 469.

Размещено на Allbest.ru