ГЛАВА 6. ПРИМЕРЫ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

6.1. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОБРАБОТКА СНИМКОВ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ

Общая структура и функции системы дистанционного зондирования Земли. Дистанционные исследования природных ресурсов нашей планеты с помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ) являются обширной и многообещающей областью применения методов обработки изображений Для многих практически важных сфер деятельности, например для сельского хозяйства, существенное значение имеет скорость обработки изображений, иными словами, промежуток времени от момента съемки до получения готового (цветного) снимка заданного участка местности Ясно, что эффективное решение этой задачи возможно лишь при самом широком применении ЭВМ.

Возможности и технические особенности систем сбора и обработки информации о состоянии поверхности Земли рассмотрим на примере семейства американских специализированных ИСЗ Landsat (Land Observation Satellite) Всего было запущено четыре спутника этого семейства. Три из них Landsat-1, Landsat-2, Landsat-З относятся к первому поколению (в 1972, 1975, 1978 гг. не

к настоящему времени прекратили существование), четвертый — Landsat-4 (запущен в 1982 г) — ко второму

Спутники Landsat первого поколения выполняли съемку земной поверхности с помощью телевизионных и оптико механических сканирующих систем. Из ИСЗ-1, ИСЗ-2 было установлено по три телевизионные камеры на видиконах с обратным лучом, имеющие высокое разрешение Эти камеры обеспечивали поле зрения в пересчете на земную поверхность 185X185 км и разрешение 55-79 м каждая Съемка проводилась в трех зонах видимой и ближней инфракрасной области спектра с интервалом между кадрами 25 с и временем экспозиции кадра 4—16 с. Для отдельного участка земной поверхности размером км получался трехзональный телевизионный снимок, соответствующий строк элементов в строке каждого элемента растра можно было получить 64 уровня сигнала Телевизионные камеры ИСЗ Landsat-3 давали однозональные снимки с разрешением 19-24 м [56]

В качестве многозональных оптико-механических сканирующих систем используются приборы MSS (Multispectral Scanner System), осуществляющие сканирование земной поверхности в направлении, перпендикулярном траектории полета ИСЗ, с помощью качающегося зеркала, проецирующего изображение земной поверхности на массив фотоприемников Сканирование в направлении полета (кадровая развертка) осуществляется за счет движения ИСЗ Частота качаний зеркала 13,62 Гц, разрешающая способность - 79 м в видимой и ближней инфракрасной областях и 238 м в тепловой инфракрасной области спектра За одно качание зеркала формируется сразу шесть строк сиимка, соответствующих полосе размерами 474 м в направлении полета ИСЗ и 185 км в поперечном направлении Для единичного участка размером км формируется четырех- или пятизональный снимок с растром 2340 строк элементов и 64 уровнями сигнала для каждого элемента этого растра

В процессе работы с ИСЗ Landsat первого поколения выяснилось, что оптикси-механические сканирующие системы, несмотря на несколько меньшее разрешение, имеют реальные преимущества перед телевизионными системами по надежности работы и качеству получаемых снимков Поэтому каждый из ИСЗ второго поколения (Landsat 4 и следующий за ним) оснащался двумя оптико-механическими сканирующими системами аналогом уже описанного выше четн-рехзонального прибора MSS и новым семизональным прибором ТМ (Thematic Mapper)

Сканерные и в меньшей степени телевизионные снимки, полученные с» спутников Landsat, дали мощный толчок в расширении исследовательских работ в США, Японии и ряде европейских стран по оценке эффективности методов изучения природных ресурсов Земли с помощью ИСЗ Спутниками Landsat-4 и Landsat D завершается экспериментальный этап программы исследований земных ресурсов с помощью ИСЗ в США В конце 80-х годов намечен переход к производственным работам по этой программе, который планируется начать с запуска эксплуатационного ИСЗ OLOS (Operational Land Observation Satellite) Этот спутник должен быть оборудован сканирующей системой MRS (Multispectral Resource Sampler), базирующейся на твердотельных линейных миогоэлементных приемниках изображения на приборах с заридовой свизыо (ПЗС). В этой системе сканирование в направлении полета осуществляется так же, как в приборах MSS, а в поперечном направлении, вдоль которого и

ориентируется линейка фотодиодов, — путем последовательного опроса вытянутых в линейку светочувствительных элементов.

Ожидается, что уровень современной микроэлектроники позволит сконструировать приемники изображения, содержащие линейки из более чем 6000 элементов, и рабочие характеристики такого прибора при разрешении до 10-15 м будут близки к соответствующим характеристикам прибора ТМ. В то же время эксплуатационные характеристики существенно улучшаются. За счет отклонения оптической оси система MRS позволяет производить стереосъемку отдельных участков, а также повторную съемку участков, закрытых облачностью, на следующие сутки, когда траектория спутника уже сдвигается на 160 км к западу Съемка может осуществляться одновременно в любых четырех зонах из 20 возможных в видимой и блнжней ИК областях спектра, охватывающих диапазон 0,36-0,96 мкм

Только за период с 1972 г. по 1980 г. с ИСЗ Landsat-1, Landsat-2, Landsat-3 было получено более 329 тыс. сканерных и М тыс. телевизионных снимков. Каждый снимок соответствует участку поверхности Земли размеров 185x185 км, так что для получения снимка земной поверхности нужно получить по крайней мере 62 248 снимков. На самом деле со спутника Landsat-4 поступает около 300 тыс. скаиерных снимков в год: ежесуточно 537 четырехзональных снимков MSS и 250 семизональных снимков ТМ. Один снимок содержит в зависимости от типа прибора приблизительно от 200 до 2000 Мбит информации, котораи должна быть передана, зафиксирована, скорректирована и переработана. Возникает целый комплекс проблем по автоматизации всех этапов процесса. В этом комплексе важное место занимает предварительная обработка снимков для коррекции радиометрических и геометрических искажений, вносимых в процессе съемок

Радиометрические помехи искажают или даже нарушают функциональную зависимость между сигналом для элемента снимка и регистрируемой характеристикой излучения для соответствующего элемента земной поверхности. Это ведет к нарушению естественной непрерывности сигналов в соседних строках порождает специфические полосы на снимке В телевизионных системах такие искажения обусловлены шумами видиконных камер, в оптико-механических сканирующих системах—флуктуациями, разбросом параметров фоточувстви-тельных датчиков, дрейфом опорных напряжений и т. д.

Геометрические искажения состоят в смещениях элементов местности. Для съемок с помощью MSS наиболее существенными являются следующие источники геометрических искажений отклонение ИСЗ от расчетной траектории полета; колебания скорости и высоты полета; смещение спутника за время сканирования одной строки растра; нелинейные изменения скорости сканирования вдоль строки, связанные с конструкцией сканирующей системы; влияние вращения Землн; перспективные и панорамные искажения снимка и др.

Систематические составляющие радиометрических и геометрических искажений корректируются по калибровочным данным, полученным при наземных испытаниях съемочной аппаратуры или непосредственно с ИСЗ. Случайные составляющие радиометрических искажений оцениваются и корректируются по статистическим характеристикам полученных сигналов. Случайные составляющие геометрических искажений, в частности искажения из-за движений ИСЗ, оцениваются и корректируются по данным траекторных измерений положения высоты, ориентации и скорости полета ИСЗ, а также по опорным точкам местности

(ОТМ). В качестве ОТМ выбирают легко распознаваемые на снимках естественные и искусственные объекты местности: пересечение крупных дорог, башни, аэродромы, водоемы и т. п., географические координаты которых точно измерены

В результате межотраслевой обработки получаются откорректированные снимки, преобразованные к определенным картографическим проекциям и снабженные текстовой аннотацией, в которой содержатся сведения о типе ИСЗ, съемочной аппаратуре, моменте съемки и др Снимки представляются в стандартной фотографической форме на фотоленте или фотобумаге, или в стандартной цифровой форме на магнитной ленте с последующим вводом в ЭВМ. Эти стандартные снимки затем используются непосредственно или подвергаются автоматической обработке при решении отраслевых задач, т. е. задач конкретной хозяйственной области или отрасли науки сельского хозяйства, охраны окружающей среды, гидрогеологии и геологии, проектирования железных дорог и др.

Информационные комплексы предварительной обработки снимков.

С целью оперативной предварительной обработки поступающих с ИСЗ многозональных; снимков в США, Японии и Западной Европе созданы централизованные комплексы аппаратных и программных средств, осуществляющих накопление исходных снимков, их коррекцию и распространение. Структура такого комплекса и вся технологии предварительной обработки снимков основана на использовании магнитных лент с высокой плотностью записи для накопления полученных с ИСЗ данных в цифровой форме и промежуточного хранения результатов обработки. Плотность записи на специальной -дорожечной магнитной ленте достигает При длине ленты в катушке 3—4 км общая информационная емкость катушки достигает бит. Однако из-за невысокой надежности магнитных лент их используют только для кратковременного хранения снимков Для постоянного хранения и размножении откорректированные в процессе предварительной обработки снимки переносятся на фотопленку и фотобумагу.

В состав централизованного комплекса входят наземные станции слежения и приема данных с ИСЗ, автоматизированный центр предварительной обработки снимков и автоматизированная информационно-поисковая система, обеспечивающая ведение архива исправленных снимков, их каталогизацию и копирование для поставок заказчикам. Исходные снимки земной поверхности поступают с ИСЗ по радиоканалам на наземные станции, где регистрируются на магнитную ленту в аналоговой (видеолента) или цифровой форме (магнитная лента с высокой плотностью записи). Магнитные ленты передаются в автоматизированную систему предварительной обработки, которая обычно состоит из двух автономных подсистем, связанных между собой: подсистемы основной коррекции и подсистемы формирования снимков.

Снимки обрабатываются в основном на универсальных ЭВМ, к которым для ускорении обработки могут подключаться высокопроизводительные параллельные процессоры. Пропускная способность комплекса определяется средней скоростью поступления информации, до 2 Мбит/с для ИСЗ и свыше 3 Мбит/с для Landsat-4.

При коррекции искажений необходимо выполнять до десяти операций ЭВМ на каждый бит исходной информации. Таким образом, для обработки снимков с ИСЗ Landsat-4 требуется ЭВМ с производительностью Такая производительность достигается, в частности, за счет выполнения отдельных

процедур на быстродействующих специализированных процессорах.

Подсистема формирования снимков получает откорректированные снимки на магнитной ленте и выполняет некоторые дополнительные преобразования, улучшающие визуальное восприятие формируемых снимков. К таким преобразованиям относится повышение контраста путем устранения фона, подчеркивание перепадов сигналов. Окончательные снимки формируются с помощью быстройдействующнх прецизионных фоторегистрирующих устройств, подключенных к ЭВМ.

В качестве примера рассмотрим созданную в СШД автоматизированную систему предварительной обработки снимков, получаемых с ИСЗ Landsat-3 Подсистема основной коррекции базируется на мощном параллельном процессоре MDP (Master Data Processor) фирмы IBM, разрабйтанном специально для этой системы. Подсистема формирования снимков реализована на мини-ЭВМ SEL 32/55. К процессору MDP подключены цифровые магнитофоны с высокой плотностью записи, процессор для ввода с видеолен? цифровых сигналов сканерных снимков и перезаписи на магнитную ленту высокой плотностью записи, а также оборудование для формирования библиотеки ОТМ в интерактивном режиме: внешняя память на магнитных дисках общей емкостью 1900 Мбайт, интерактивный растровый цветной дисплей Ramtek 9300 и буквенно-цифровой терминал IBM 3277. Для оперативного визуального контроля качества снимков и тзценки степени облачного покрытия к процессорам ввода подключен видеотерминал буквенно-цифровой терминал IBM 3277 используется для связи с оператором и выводом текстового «меню» возможностей системы. Растровый дисплей размером 512 строк элементов в строке применяется для визуализации цветных полутоновых фрагментов снимка, в пределах которых определяются ОТМ. Изображение, выведенное на экран дисплея, визуально совмещается с соответствующим местом на карте местности с помощью автономного бинокулярного оптико-мехаиического прибора

Параллельный процессор MDP включает микропрограммируемый управляющий процессор, блок оперативной памяти емкостью 256 К слов по 32 бита и параллельный арифметический процессор с двумя конвейерными блоками, каждый из которых содержит матричное устройство умножения 16X16 двоичных разрядов и трехканальный -разрядный сумматор. Такая структура обеспечивает производительность при выполнении операций умножения и сложения -разрядных чисел с фиксированной запятой до 20 млн. опер/с

Подсистема формирования снимков помимо мини-ЭВМ SEL 32/35 с подключенными к ней двумя быстродействующими цифровыми магнитофонами с высокой плотностью записи и пропускной способностью до 20 Мбит/с каждый содержит также специализированный процессор ввода снимков с МЛ и формирования гистограмм значений цифровых сигналов, шесть устройств внешней памяти на магнитных дисках суммарной емкостью 480 Мбайт, высокопроизводительный матричный процессор , специализированный процессор табличных преобразований значений сигналов при выводе снимков на фотопленку и быстродействующее лазерное фоторегистрнрующее устройство высокого разрешения

Мини-ЭВМ SEL имеет -разрядный процессор с производительностью 500 тыс опер оперативную память 512 К байт с циклом обращения Пропускная способность каналов ввода — вывода этой мини-ЭВМ — до 3,2 Мбайт/с

Матричный процессор АР-120 В оперирует с 32 разрядными словами со скоростью 6—12 млн обладает оперативной памятью 2 Мбайт. Фоторегистрирующее устройство высокого разрешения фирмы Goodyear Aerospace (США) содержит лазер на ионах аргона, зеркало на воздушной подушке для отклонения луча, вращающееся со скоростью 400 об и электронно-оптический модулятор светового луча с рабочей частотой 25 МГц. Размер светового пятна при выводе фотоснимка устанавливается автоматически. Пропускная способность устройства что позволяет выводить на фотопленку исправленные сканерные снимки, имеющие растр разложения элементов в строке со скоростью 185 строк/с, и телевизионные снимки, имеющие растр разложения 5322 строки элемента в строке со скоростью 135 строк/с. Исправленный сканерный снимок выводится для одной спектральной зоны за 22 с, исправленный телевизионный снимок — за 38 с

О широте использования снимков говорят данные, приводимые в [12]. В 1980 г. архив Центра информации системы изучения ресурсов Земли (EROS Data Center) (США) содержал Свыше 1,5 млн. снимков с ИСЗ на фотопленке. В этом же году центр поставил заказчикам 128 тыс. фотокопий и 4100 копий снимков в цифровой форме на магнитных лентах. Примерно 25—30% заказов приходится на долю американских промышленных фирм в основном, занятых геологической разведкой и поиском нефти и газа, 20-25% - на правительственные учреждения, 15—20% — на учебные и научные организации, 30—35% — на заказчиков за пределами США.