Цифровая аэросъемочная система. Особенности и достоинства цифровой съемки ADS40

Сергей Кадничанский,
к.т.н., член Президиума Общества содействия развитию
фотограмметрии и дистанционнго зондирования России,
E-mail: landkd@col.ru

Цифровая фотограмметрия в настоящее время стала практически вытеснять аналоговые и аналитические методы и средства обработки.

Однако при выполнении аэрофототографических съемок в крупных масштабах основным, фактически единственным источником изображений была аэрофотосъемка с применением топографических аэрофотокамер. Очевидно, что при использовании цифровых методов фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки требуется выполнение процессов фотохимической обработки аэрофильмов и сканирования снимков с целью преобразования в цифровую форму. Это требует существенных затрат и удлиняет продолжительность технологического цикла работ.

Естественным решением могло быть получение цифровых изображений достаточно высокой точности и разрешения как непосредственного результата аэросъемки. С другой стороны, возможность получения таких изображений в различных зонах спектра создает благоприятные условия для автоматизации интерпретации изображений, как результата дистанционного зондирования. По этой причине к концу XX века была решена задача создания цифровой аэросъемочной системы высокого разрешения и точности. Это в первую очередь относится к самолетной цифровой системе ADS40 как первому коммерческому продукту такого типа, созданному фирмой LH Systems и представленному на XIX конгрессе Международного Фотограмметрического общества в 2000 г. С этого момента фотограмметрия становится полностью цифровой.

Система ADS40

В основе технического решения системы ADS40 лежит концепция трехлинейчатого сканера, впервые предложенная в 1970 году и активно использовавшаяся компанией DLR (Германский аэрокосмический центр) в системах дистанционного зондирования: как космических, так и самолетных. Исходя из этой концепции, в фокальной плоскости объектива системы параллельно расположены три ПЗС линейки, отстоящие друг от друга таким образом, что одна из них обеспечивает панхроматическую съемку в направлении «вперед», другая — в направлении точки надира, а третья — в направлении «назад» (рис. 1). Существенной особенностью конструкции ADS40 является то, что вместо одной линейки используются пары линеек, смещенные одна относительно другой на 0.5 элемента. Число элементов в ПЗС-линейке равно 12000, а в результате использования сдвоенной линейки со смещением обеспечивается результирующее разрешение как при использовании линейки состоящей из 24000 элементов. Кроме панхроматических линеек, в фокальной плоскости расположены четыре одинарные линейки по 12000 элементов в каждой для мультиспектральной съемки в четырех узких зонах спектра: красной (610-660 mm), зеленой (535-585mm), синей (430-490mm) и ближней инфракрасной (835-885mm).

Рис. 1. «Тройная» съемка комплексом ADS.

В таблице 1 приведены некоторые основные технические характеристики системы, позволяющие сделать вывод о возможности ее применения в качестве источника информации для цифровой фотограмметрии.

Фактором, ограничивающим разрешение на местности для системы, является интервал времени (период) между считываниями информации с линеек, равный 1,2 мсек. При скорости движения самолета 100 м/с будет обеспечиваться разрешение на местности в направлении движения около 0,25 м. Такое же разрешение на местности в поперечном направлении может быть получено при высоте полета 2400 м. При этом, ширина полосы захвата будет составлять 3000 м. В таблице 2 приведены для сравнения характеристики аэросъемки, выполняемой цифровой системой и обычной топографической камерой.

Из приведенных данных видно, что съемка цифровой системой ADS40 по разрешению сопоставима с аэрофотосъемкой в масштабе 1:10 000 при последующем сканировании снимков с размером пиксела 12 mm, что позволяет говорить о возможности крупномасштабного (1:2000) картографирования по материалам цифровой съемки. При этом цифровая система обеспечивает ширину полосы съемки на 30% больше.

Таким образом, система ADS40 сочетает в себе разрешение топографического аэрофотоаппарата и информативность средства дистанционного зондирования.

Следует отметить, что геометрические свойства получаемого таким образом изображения принципиально отличаются от геометрии обычного аэрофотоснимка, получаемого с помощью топографического аэрофотоаппарата и представляющего собой центральную проекцию точек местности на плоскость снимка. В случае использования описанного выше принципа формирования изображения каждая из строк, получаемая в результате считывания информации с ПЗС-линейки, представляет собой центральную проекцию некоторой линии на поверхности земли. Причем значения как линейных, так и угловых элементов внешнего ориентирования для каждой такой строки отличаются между собой из-за изменения угловой ориентации и перемещения самолета в пространстве в процессе съемки. Работать с такими произвольно геометрически искаженными изображениями, в том числе наблюдать их стереоскопически, не представляется возможным. По этой причине исходные изображения (уровень 0) подвергаются геометрическому трансформированию с учетом значений элементов внешнего ориентирования каждой строки, получаемых с помощью системы позиционирования и ориентации (Position and Orientation System — POS). Получаемые в результате такого трансформирования изображения (уровень 1) можно уже наблюдать стереоскопически, выполнять необходимые измерения для целей фототриангуляции, после чего выполнять все другие процессы фотограмметрической обработки на цифровой фотограмметрической станции (создание ЦМР, ортофототрансформирование и монтаж ортофотоплана, стереосъемка) с целью получения конечного продукта — геокодированного изображения или ортофотоплана (уровень 2). Следует отметить, однако, что, из-за особенностей геометрических свойств, изображения, получаемые с помощью цифровой съемочной системы такого типа, могут быть обработаны только с использованием специального программного обеспечения, позволяющего учесть эти особенности.

Структура и преимущества системы

Все перечисленные достоинства и особенности системы ADS40 обеспечиваются ее структурой (рис. 2, 3).

Рис. 2. Действующий комплекс в салоне носителя.

Рис. 3. Схема установки комплекса.

Важнейшим компонентом системы является собственно датчик, включающий объектив, пластину, на которой установлены ПЗС-линейки, инерциальное измерительное устройство, жестко связанное с датчиком, системы подогрева и охлаждения.

Управление датчиком осуществляется через устройство управления, включающее компьютер, необходимое программное обеспечение, GPS-приемник и запоминающее устройство большого объема (массовая память) на жестких дисках.

Система также включает операторский интерфейс, представляющий собой жидкокристаллический дисплей высокого разрешения, монтируемый в специальной подвеске, гасящей вибрацию самолета.

Запоминающее устройство большого объема состоит из 6 жестких дисков по 36 Гб каждый, смонтированных в герметизированном корпусе, предохраняющем диски и от действия вибрации. Оно может заменяться между маршрутами съемки по мере заполнения. Скорость передачи данных на запоминающее устройство — до 45 Мб/сек.

Таким образом, цифровая съемочная система ADS40 открывает возможность реализации новой, полностью цифровой технологии создания картографической продукции. Она также обеспечивает другие существенные преимущества:

• Исключаются процессы фотохимической обработки материалов аэросъемки и сканирования снимков, что существенно сокращает технологический цикл производства;
• Возможность одновременно получать черно-белое панхроматическое, цветное и спектрозональное изображения;
• Возможность применения для съемки в крупных масштабах;
• Широкая полоса захвата территории, что позволяет экономить на общей протяженности аэросъемочных маршрутов;
• Полное исключение погрешностей, связанных с деформацией фотоматериала;
• Сокращение количества точек планово-высотного съемочного обоснования благодаря использованию GPS и инерциальной системы.