авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и исследование методики фотограмметрической обработки одиночных космических сканерных изображений

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КЛОЧКОВ ИВАН АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИКИ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОДИНОЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СКАНЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

25.00.34 – Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва– 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)» на кафедре Фотограмметрии и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» на кафедре Телекоммуникаций

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Андронов Владимир Германович

Официальные оппоненты: Нехин Сергей Степанович доктор технических наук, старший научный сотрудник, Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии, заведующий отделом
Гречищев Александр Владимирович кандидат технических наук, инновационный научно-образовательный центр «Геомониторинг» Московского государственного университета геодезии и картографии, директор

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

точных приборов» (ОАО «НИИ ТП»)

Защита состоится «25» декабря 2012 года в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.143.01 при Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии по адресу: 105064, Москва, К-64, Гороховский пер. 4, МИИГАиК, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Университета Геодезии и Картографии.

Автореферат разослан «___»__________2012 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Краснопевцев Б.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время космические сканерные снимки высокого разрешения находят все большое применение при создании и обновлении карт различного назначения, цифровых моделей местности и расположенных на ней объектов и решении многих других задач. Научная база организации процессов их фотограмметрической обработки для этих целей достаточно глубоко проработана. Широкое распространение получили технологии использования бортовых данных об элементах внешнего ориентирования снимков, методы обработки снимков в условиях недоступности метаданных съёмки, внешнего ориентирования фотограмметрических моделей по опорным точкам местности, полиномиальные методы на основе коэффициентов RPC и многие другие.

Вместе с тем, появление новых космических оптико-электронных комплексов сверхвысокого разрешения, работающих в режиме временной задержки и накопления зарядовых пакетов и способных выносить линию визирования вдоль, перпендикулярно и поперёк трассы КА, кардинально изменило геометрию, длительность и другие важнейшие характеристики космической съёмки. На смену традиционных объектовых режимов кратковременного включения с постоянным ракурсом съёмки пришли маршрутные и площадные режимы съёмки с большой длительностью включения и трёхосным угловым движением КА. В этих условиях использование существующих технологий для обработки сканерных изображений в масштабах включения съёмочной аппаратуры оказалось крайне затруднительным и обусловило необходимость разбиения маршрута съёмки на условные кадры (сцены). Это, в свою очередь, привело к необходимости существенного увеличению числа опорных точек, требуемых для внешнего ориентирования используемых фотограмметрических моделей, и, в конечном счёте, к увеличению трудоёмкости и стоимости фотограмметрических работ. Кроме этого, существующие технологии применимы только для обработки реальных изображений, и не годятся для моделирования рассматриваемых процессов для перспективных комплексов. В этой связи, учитывая планируемые в ближайшем будущем запуски отечественных комплексов сверхвысокого разрешения, тема решаемой в работе научно-технической задачи представляется актуальной.

Работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.», в рамках реализации мероприятия № 1.2.1 «Проведение научных исследований научными группами под руководством докторов наук».

Цель работы: разработка и исследование методики фотограмметрической обработки одиночных космических сканерных изображений на основе математического описания процессов их формирования в масштабах включения съёмочной аппаратуры без использования опорных точек местности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

- анализ состояния вопросов фотограмметрической обработки одиночных сканерных изображений, обоснование выбора направлений исследования и математическая постановка задачи;

- разработка комплекса математических моделей космической сканерной съёмки с трехосным угловым движением КА, инвариантных к длительности включения съёмочной аппаратуры, характеру рельефа местности и учитывающих не только геометрические, но и фотометрические характеристики формирующихся сканерных изображений;

- разработка и исследование методики координатной привязки одиночных космических сканерных изображений;

- разработка методики построения макетных сканерных изображений и проведение на них экспериментальных исследований по верификации разработанного комплекса моделей и оценке точности методики координатной привязки.

Объект исследования. Космические одиночные сканерные изображения земной поверхности.

Предмет исследования. Математические модели формирования и методики фотограмметрической обработки сканерных изображений, получаемых космическими оптико-электронными системами в режимах съёмки с трёхосным угловым движением КА.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, теория множеств, теории статистического анализа и математического моделирования, теория космической фотограмметрии, теория небесной механики, астрономия, картография. Для использования в экспериментальных исследованиях ЦМР тестового участка местности использовался пакет ГИС MapInfo 10.1.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной, которые выносятся на защиту:

- динамическая фотограмметрическая модель, устанавливающая функциональную связь между порядковыми номерами пикселей одиночного космического сканерного изображения и геоцентрическими координатами соответствующих им точек местности, и отличающаяся строгим математическим описанием геометрической структуры маршрута изображения и его элементов внешнего ориентирования в условиях трёхосного углового движения КА на интервале съёмки и отсутствия опорных точек местности;

- методика координатной привязки одиночных космических сканерных изображений, основанная на использовании ориентирующих углов линии визирования в горизонтальной и вертикальной плоскости ЦМР и отличающаяся учётом направленности итерационного процесса, обусловленной особенностями взаимного расположения линии визирования и ЦМР;

-методика построения макетных сканерных изображений, позволяющая осуществлять экспериментальные исследования процессов их фотограмметрической обработки, и отличающаяся отсутствием необходимости использования реальных бортовых и наземных измерений и включением в комплекс аналитических моделей местности и снимка контура орбитального планирования трасс КА.

Практическая значимость работы. Практическая значимость полученных результатов исследования определяет­ся тем, что они, во-первых, дают методическую основу для совершенствования технологий фотограмметрической обработки одиночных космических сканерных изображений. Во-вторых, результаты исследования доведены до конкрет­ной алгоритмической и программной реализации, работоспо­собность которых проверена экспериментальным путем на макетных данных.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы:

в НИР «Организация процессов разработки, формирования и актуализации ортогеокодированных данных дистанционного зондирования обширных территорий в интересах геоинформационного обеспечения социально-экономического развития регионов» в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.»;

в ОАО «НИИ ТП» при разработке технических заданий на составные части ОКР «Эпизод», в программных комплексах для организации процессов наземной фотограмметрической обработки космических сканерных изображений орбитальным методом, в системных исследованиях по теме «Приём», связанной с созданием единой территориально-распределённой информационной системы дистанционного зондирования;

внедрены в учебном процессе Юго-Западного государственного университета при подготовке бакалавров по дисциплинам «Дистанционное зондирование Земли космическая фотограмметрия» и «Основы ГИС» в рамках направления подготовки бакалавров «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: Международной научно-технической конференции «Геодезия, картография и кадастр – XXI век» (Москва, 2009г.); Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск, 2011г.); Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2011г.); II и III Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций» (Курск, 2009-2011г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований и разработок отражены в 23 печатных работах, из них 8 статей в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК. Получено 5 свидетельств о регистрации электронного ресурса.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем проведен анализ состояния вопроса в области использования ГИС для обеспечения социально-экономической деятельности регионов [15-16], рассмотрена роль данных ДЗЗ в региональном геоинформационном обеспечении [14,17,20] и особенности формирования космических оптико-электронных изображения линейками матриц ПЗС [9], получен ряд формул в модели скорости движения космических сканерных изображений [6], разработана модель определения текущих значений угловых параметров космической оптико-электронной съемки [4,7,8], а также координатно-временная модель формирования геометрической структуры одиночных маршрутов ОЭИ [3], предложены этапы методик решения задач координатной привязки одиночных космических изображений [1,2,10], координатной привязки маршрутов космических сканерных изображений [5,11,12,18] и верификации разработанных моделей и алгоритмов [19-21], а также элементы структуры программного обеспечения геоорбитального моделирования в задачах регионального геоинформационного обеспечения [13,22,23].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и библиографического списка, включающего 121 наименование. Объем диссертации 151 страницы машинописного текста, 28 рисунков и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность, объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи работы, показаны её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрено состояние вопроса математического описания процессов формирования и фотограмметрической обработки сканерных изображений. Показано, что существующие методы можно разделить на две группы полиномиальных методов и фотограмметрические методы. Первая группа полиномиальных методов требовательна к наличию опорных точек на снимке, топологии их расположения по полю изображения и характеризуются высокой трудоемкостью процесса. Вторая группа полиномиальных методов использует так называемые коэффициенты рациональных полиномов, которые получают на основе применения строгой фотограмметрической модели. Показано, что точность фотограмметрической обработки, основанной на использовании полиномиальных методов, ниже, чем потенциальная точность фотограмметрических моделей. Кроме этого, обе группы полиномиальных методов не имеют физического смысла и не пригодны для моделирования рассматриваемых процессов. Фотограмметрические методы основаны на использовании строгих фотограмметрических моделей и потенциально могут быть реализованы в автоматическом режиме, а их точность определяется точностью исходных данных и теоретически соответствует разрешающей способности космических изображений. Анализ существующих подходов к разработке строгих фотограмметрических моделей одиночных сканерных изображений, получаемых в режимах съёмки с трёхосным угловым движением КА, показал недостаточную проработанность этих вопросов.

Рассмотрены возможные пути решения этих вопросов, обоснован выбор направлений и структурно-логическая схема исследования, выполнена математическая постановка задачи.

Во второй главе представлены результаты теоретического обоснования комплекса моделей, названного в работе динамической фотограмметрической моделью. Этот комплекс в отличие от известных позволяет обрабатывать реальные изображения без использования опорных наземных точек в масштабах включения съёмочной аппаратуры при наличии метаданных, а также моделировать эти процессы при их отсутствии. В соответствие с этим он включает в себя три контура моделей (рис.1).

 Структура динамической фотограмметрической модели Первый контур-1

Рисунок 1 – Структура динамической фотограмметрической модели

Первый контур предназначен для моделирования геометрической структуры пикселей формирующегося сканерного изображения и угловых элементов их внешнего ориентирования в геоцентрической системе координат без использования опорных точек местности. Он включает в себя не имеющие аналогов в известной литературе модель скорости движения изображения (СДИ), модель формирования программы углового движения КА и координатно-временную модель одиночного сканерного изображения. Второй контур составляют модели, которые используются в интересах первого и третьего контура для моделирования текущих значений вектора состояния КА и параметров его угловой ориентации. Третий контур образует геометрическая модель щелевой сканерной съёмки, которая при наличии информации о геодезических высотах центральных проекций пикселей изображения на общем земном эллипсоиде обеспечивает строгое вычисление их геоцентрических координат по данным первого и второго контура.

Рассмотрим суть входящих в первый контур моделей более подробно.

В качестве фотоприёмной структуры (ФПС) в комплексах сверхвысокого разрешения используются матрицы ПЗС, расположенные в два ряда в шахматном порядке вдоль экспонирующей щели перпендикулярно направлению полёта КА (рис.2).

Формат маршрута съёмки на местности определяется размером мгновенной проекции экспонирующей щели и длительностью включения съёмочной аппаратуры соответственно перпендикулярно и по направлению полёта КА. При этом процесс формирования маршрута изображения в обоих рядах матриц ПЗС происходит построчно за счёт одновременного периодического опроса матриц ПЗС с тактовой частотой в режиме задержки и накопления зарядовых пакетов от одного и того же участка местности. Суть этого режима состоит в том, что в течение времени зарядовые пакеты со скоростью , равной продольной составляющей вектора скорости движения изображения (СДИ), перемещаются по строкам матриц ПЗС от столбца 1 к столбцу с номером по следующей схеме:

БЗУ(), (1)

где БЗУ – бортовое запоминающее устройство.

В соответствие с этим зарядовые пакеты, сформированные в первых элементах строк матриц ПЗС в момент времени , в течение последующего времени с таковой частотой последовательно передаются во вторые, третьи и последующие элементы строк матриц ПЗС, складываясь с образующимися в них зарядовыми пакетами от одного и того же участка местности. Достигнув элемента М, они далее считываются в БЗУ, образуя за счёт М-кратного накопления зарядовых пакетов более качественное изображение этого участка местности в виде строки, состоящей из пикселей. В геометрическом аспекте повышение разрешающей способности съёмочной аппаратуры происходит потому, что в процессе накопления зарядовых пакетов изменяется орбитальное положение и угловая ориентация КА, а плоскость визирования отслеживает сканируемый участок местности. Основываясь на этом, идеология выбранного в работе теоретического подхода для моделирования заключается в формализации этого процесса в виде программного трёхосного углового движения КА на всём интервале съёмки. Рассмотрим суть используемого подхода более подробно.

Пусть в некий фиксированный момент времени вектор (рис.3) описывает положение зарядовых пакетов в первом столбце первой строки центральной матрицы ПЗС чётного ряда в системе координат , образованной путём параллельного переноса осей системы координатфокальной плоскости в центр проекции съёмочной аппаратуры, где - фокусное расстояние съёмочной аппаратуры.

  Геометрическая иллюстрация режима задержки и накопления зарядовых-20



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.