Введение к работе
Актуальность
Дистанционное зондирование Земли из Космоса (ДЗЗ) с борта космического аппарата (КА) — это процесс зондирования поверхности Земли из космоса с использованием свойств электромагнитных волн, излучаемых, отражаемых или рассеиваемых поверхностью и атмосферой Земли. Сбор и анализ данных о процессах, происходящих на поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения, реализуется с помощью оптико-электронных комплексов. Методы ДЗЗ основаны на регистрации в аналоговой или цифровой форме оптической информации в фотоприёмном устройстве (ФПУ). Космическое зондирование, интенсивно развивающиеся в последние десятилетия, предоставило наукам о Земле новые возможности для исследования земной поверхности. За этот период существенно возросли объем, разнообразие и качество материалов ДЗЗ. К настоящему времени накоплен огромный фонд (более 100 миллионов) аэрокосмических снимков, полностью покрывающих всю поверхность Земли, а для значительной части районов — с многократным перекрытием.
Часть результатов ДЗЗ сразу поступает в цифровом виде, что позволяет применять современные компьютерные технологии для их обработки и использования. Цифровое изображение формируется с помощью ФПУ, состоящего из множества чувствительных элементов, что представимо в форме растра как числовая матрица. Каждый элемент этой матрицы, называемый пикселем, соответствует какой-либо характеристике (отражательной способности, температуре и т.д.) участка местности в определенной зоне электромагнитного спектра. Размер этого участка зависит от разрешения снимка. Данные многоспектральной съемки в цифровом виде можно рассматривать как многомерную матрицу, в этом случае каждому участку поверхности соответствует целый набор значений, называемый вектором характеристик. Основные методы тематической обработки данных ДЗЗ, специфичные для многозональной съемки, основаны на операциях с многомерными матрицами.
В современных системах ДЗЗ применяются сенсоры двух типов: построенные на ФПЗС матричного и линейного типа. ФПЗС-системы матричного типа используют для съёмки очень большое количество элементов в ФПУ, что позволяет получать больше информации о снимаемом участке, но эти системы обладают высокой массой и энергопотреблением, что не позволяет их использовать на микроспутниках. Кроме того, в этом случае требуется введение методов съёмки, которые могли бы повысить степень стабилизации КА по углу рысканья, чтобы итоговые снимки с матрицы можно было накладывать друг на друга с целью повышения точности отснятых изображений и при этом они не сильно различались по углу поворота.
Сенсоры, основанные на ФПЗС линейного типа, представляют собой одну строку матрицы. Они обладают существенно меньшим энергопотреблением и массой, однако для их использования необходимо использовать специальные методики съёмки, позволяющие повысить информативность получаемых снимков. Наиболее серьёзной проблемой в процессе ДЗЗ является высокая скорость бега изображения в фотозоне системы, что наиболее негативно влияет на системы, основанные на ФПЗС линейного типа. Для уменьшения этой скорости применяется метод тангажного замедления, который позволяет сократить скорость бега изображения с 17 мм/с до 3 мм/с, что в свою очередь приводит к повышению качества снимков, но в качестве платы - вносит обширные «слепые» участки между отснятыми сегментами.
Цель работы - оптимизация систем дистанционного зондирования земли методами математического моделирования.
Задачи исследования
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Разработана модель линейки ФПЗС, выполнен анализ результатов моделирования с целью определения областей, оптимизация которых позволит повысить производительность этого типа устройств.
-
Разработана комплексная модель, позволяющая исследовать процесс построения результирующего изображения в системах ДЗЗ и его зависимость от свойств используемого сенсора и характеристик полёта космического аппарата.
-
Разработан вариант усовершенствования имеющихся решений на основе линейки ФПЗС, который позволяет повысить эффективность современных систем дистанционного зондирования Земли.
-
Выполнена модернизация разработанных моделей, исследована эффективность предлагаемого решения.
Методы исследования
Методы исследования включают в себя методы численного и имитационного моделирования, анализа алгоритмов и программ и обработки изображений.
Научная новизна
-
Предложена программная модель для исследования механизмов работы ФПЗС сенсора линейного типа.
-
Предложена модель, позволяющая исследовать процесс построения изображения в системе ДЗЗ основанной на линейке ФПЗС, учитывая различные параметры используемого сенсора и условий полёта космического аппарата.
-
Использование метода прямого моделирования позволило выявить процесс выдачи накопленного заряда из линейки ФПЗС как наиболее важный, с точки зрения оптимизации работы устройства.
-
Разработан метод ведения непрерывной съёмки с использованием ФПЗС сенсор линейного типа.
Практическая ценность
Практическую ценность работы составляют:
-
«Волновой» метод, позволяющий осуществлять непрерывное получение данных с линейки ФПЗС.
-
Концепция устройства, позволяющего реализовать предложенный в работе метод.
-
Программный комплекс, реализующий модели, с помощью которого выполнено исследование работы линеек ФПЗС и процесса построения изображения в системах дистанционного зондирования Земли
Положения, выносимые на защиту
-
Программный комплекс, состоящий из моделей, разработанных для исследования механизмов работы линейки ФПЗС и процесса построения изображения в системах ДЗЗ основанных на этом типе сенсоров.
-
«Волновой» метод снятия данных с линейки ФПУ, который позволяет более эффективно выводить результаты зондирования из сенсора.
-
Концепция аппаратной реорганизации классической структуры сенсора ФПЗС линейного типа с целью реализации «волнового» снятия данных с ФПУ
-
Структура выходных данных «волнового» алгоритма, позволяющая перейти от кадровой съёмки к непрерывному получению данных с линейки ФПЗС
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов определяется корректностью использования математического аппарата и подтверждается результатами компьютерного моделирования.
Внедрение результатов работы
Результаты работы были использованы компанией ООО «АвтоВизус» в рамках разработки экспериментальной системы съёмки повышенной эффективности на ФПЗС-линейке. Кроме того, результаты работы нашли своё применение в учебном процессе на кафедре информатики и прикладной математики и кафедре оптико-цифровых систем и комплексов факультета компьютерных технологий и управления Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики в рамках обучения студентов дисциплинам «Верификация моделей», «Распределенные системы моделирования» и «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ». Материалы работы использовались в качестве примера классического использования методов и средств моделирования с целью анализа имеющихся решений, поиска областей, оптимизация которых даст наибольший эффект, а так же доказательства эффективности предлагаемых путей проведения оптимизации.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на VII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2010), VIII всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (2011), XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (2011), Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011» (Одесса 2011).
Публикации
Основные научные результаты диссертационного исследования с необходимой полнотой изложены в 7 печатных работах, в том числе в трёх статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ для представления основных результатов диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, изложена на 100 страницах, включает 37 рисунков.
