Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Геоинформационные системы в задачах пространственно-временного прогнозирования условий аэрокосмической съемки

# 11, ноябрь 2013
DOI: 10.7463/1113.0619681
Файл статьи: Veselov_P.pdf (333.03Кб)
авторы: Веселов Ю. Г., Конуркин В. А., Островский А. С., Тихонычев В. В.

УДК 778.35

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Россия, Воронеж, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил

vesel_foto@mail.ru

VUNZ_VVS@rambler.ru

Ostrovsky_Aleksandr@mail.ru

 

Введение

Прогнозирование условий аэрокосмической съемки тесно связано с прогнозом погоды, который несет в себе информацию о количестве, типе и высоте нижнего края облачности, явлениях погоды (атмосферные осадки, туман, дымка, мгла, пыльная и песчаная буря и др.), метеорологической дальности видимости, температуре воздуха, направлении и скорости ветра, а также косвенную информацию об освещенности земной поверхности в заданном спектральном диапазоне оптического излучения, ожидаемые характеристики спектральных отражательной или излучательной способностях земной поверхности и объектов съемки.

В условиях динамично меняющейся метеорологической обстановки важной является задача прогноза эффективности применения оптико-электронных систем дистанционного зондирования местности на заданном участке, которая неразрывно связана с прогнозом погоды. Причем для обеспечения оценки эффективности применения АФС необходимо иметь математический аппарат оценки параметров, характеризующих условия съемки, а также математические модели АФС. Нанесение слоя эффективности применения на географическую подложку позволит эффективно распределять силы и средства при решении задач дистанционного зондирования местности.

В данном случае речь идет о формировании высоко динамичного слоя непрерывных явлений  геинформационной системы [1], большая динамика которого обусловлена высокой динамикой изменения метеорологических условий.

Такая постановка задачи рассматривается впервые и требует для ее реализации формирования математического аппарата расчета параметров атмосферы и подстилающей поверхности.

 

Оценка возможности формирования геоинформационных систем условий аэрокосмической съемки

Современные методы, средства, интеллектуальные системы и вычислительные машины, используя большие объемы информации (наземные, аэрологические, гидрологические и спутниковые наблюдения), позволяют производить с высокой оправдываемостью краткосрочные (до 3 суток) и с меньшей – долгосрочные (от 3 суток до 12 месяцев) прогнозы погоды.

Прогнозирование условий аэрокосмической съемки должно обеспечить получение наилучшего качества изображений аппаратуры наблюдения. В настоящее время съемка одного и того же участка земной поверхности может выполняться многоспектральными оптико-электронными системами, обеспечивающими съемку земной поверхности в различных спектральных диапазонах и условиях (воздушная и космическая съемка). При этом отражательные и излучательные свойства объектов съемки будут различны для указанных диапазонов оптического излучения. Если при выполнении черно-белого аэрофотографирования достаточно знания интегральных коэффициентов отражения, то в случае узких спектральных диапазонов необходима спектральная информация об объектах съемки. Так как спектральные диапазоны могут меняться, то целесообразно иметь систему прогнозирования, адаптирующуюся к аппаратуре аэрокосмической съемки. Речь идет о создании для аппаратуры наблюдения специальной системы прогнозирования условий съемки, что приведёт не только к многообразию аппаратуры съемки, но и к вынужденному многообразию систем прогнозирования.

В настоящее время интенсивно развиваются географические информационные системы (ГИС), представляющие собой – программно методический комплекс, способный вводить, хранить, обновлять, манипулировать, анализировать и выводить все виды географически привязанной информации [2]. На районы съемки, как правило, имеются электронные карты различных масштабов, которые периодически уточняются.

Информация об объектах в ГИС сохраняется в виде векторных и растровых слоев. Это позволяет удобно представлять информацию о пространственных характеристиках объектов и их свойствах.

 

Анализ спектральных характеристик типовых фоноцелевых обстановок

В настоящее время имеется достаточно подробная информация о результатах измерения спектральных характеристик отражения объектов и подстилающих поверхностей для различных спектральных диапазонов [3]. На рисунке 1 изображены спектральные коэффициенты отражения различных почв и видов растительности (а), а также индикатрисы отражения потока излучения  для сухих и мокрых покровов (б) [4].

После наступления темноты и ночью отраженное излучение от земной поверхности практически не наблюдается. С рассветом это излучение интенсивно нарастает и достигает максимума, когда направление солнечных лучей совпадает с направлением визирования. После захода солнца отраженное излучение вновь быстро падает.

 

Рисунок 1 – Спектральные коэффициенты отражения некоторых почв и видов растительности (а) и индикатрисы отражения сухих и мокрых покровов (б)

 

Типовыми естественными источниками оптического излучения являются, например, Солнце, Луна, облака, атмосфера, земная и водная поверхности. Их излучение может обеспечивать наблюдение и ведение аэрофотосъемки объектов, часто оно представляет собой мешающий фон.

Спектральное распределение плотности излучения Солнца за пределами атмосферы примерно такое же, как у черного тела с температурой 6000 К (рис. 2.) Около половины солнечной энергии излучается в инфракрасной области спектра, 40% ‒ в видимой области и 10% ‒ в ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра оптических излучений.

 

Рисунок 2 – Спектральная плотность энергетической светимости

 черного тела при температуре 6000 К (1)

и Солнца за пределами атмосферы (2) и на уровне моря (3)

 

Излучение Солнца при прохождении через атмосферу поглощается и рассеивается компонентами атмосферы, в результате чего до поверхности Земли доходит лишь излучение с длинами волн 0,3...3 мкм (рис. 1.). Мощность и спектральный состав солнечного излучения, дошедшего до поверхности Земли, зависит от высоты Солнца и состояния атмосферы.

Освещенность земной поверхности Солнцем изменяется в широких пределах в зависимости от времени года, времени суток, географических координат освещаемого участка местности, облачности и состояния атмосферы. Некоторые данные, характеризующие влияние отмеченных факторов на освещенность земной поверхности, приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Изменение освещенности земной поверхности за счет прямого и рассеянного солнечного излучения, лк × 103

 

 

Условия

Высота Солнца, град

 

5

10

15

20

30

40

50

55

Освещенность земной поверхности при безоблачной погоде

4

9

15

23

39

58

76

85

Освещенность в тени, безоблачно

3

4

6

7

9

12

14

15

Освещенность в пасмур- ную погоду, сплошная облачность

2

3

4

6

9

12

15

16

Отношение освещеннос- ти в тени к освещеннос- ти на Солнце

0,75

0,44

0,40

0,30

0,22

0,21

0,18

0,18

 

Если известны оптические параметры явлений погоды во время съемки, то искажение освещенности оптического изображения может быть
учтено [5, 6]. Ухудшение же разрешения и связанная с ним генерализация изображения носят необратимый характер. Поэтому, во время съемки, целесообразно прогнозировать прозрачность атмосферы и по возможности выполнять съемку при хорошей прозрачности, подобно тому, как это делают применительно к облачному покрову. На рисунках 3, 4, 5 показаны графики зависимости
интегральной прозрачности атмосферы от времени суток и года, а также среднегодовые значения интегральной прозрачности атмосферы [7].

 

Рисунок 3 –  Дневной ход интегральной прозрачности атмосферы по данным станции Аральское море: а - данные, усредненные за три летних месяца (июнь - август 1978 г.), б - за три зимних месяца (ноябрь - январь 1978—1979 гг.)

 

Рисунок 4 – Годовой ход интегральной прозрачности атмосферы

 

Рисунок 5 – Среднегодовые значения интегральной прозрачности атмосферы

 

Таким образом, имеется возможность прогнозировать условия съемки. В качестве примера можно предложить формулу для расчета среднего коэффициента отражения для спектрального диапазона волн электромагнитного излучения  λ1......λ2..

 

,

где     – площадь участка со спектральным коэффициентом отражения      ;

   – количество участков.

Аналогично могут быть получены все необходимые интегральные характеристики для планирования и управления съемкой объектов интереса с целью обеспечения максимальной эффективности применения систем дистанционного зондирования местности.

Полученные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности являются входными параметрами для математических моделей цифровых оптико-электронных систем. Эти математические модели находятся в контуре оценки эффективности применения систем и комплексов дистанционного зондирования земной поверхности

 

Заключение

Таким образом, рассматриваемая выше информация об оптических характеристиках атмосферы, освещенности земной поверхности, спектральных коэффициентах отражения и даже экспонометрических параметрах съемки может быть спрогнозирована, переведена в эффективность применения средств дистанционного зондирования местности и исполнена в виде слоев динамичной ГИС.

Использование такой высоко динамичной ГИС в контуре планирования и управления аэрокосмической съемкой позволяет повысить эффективность комплексного применения систем аэрокосмической съемки, а также спланировать силы и средства для решения поставленной задачи дистанционного зондирования местности.

 

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 11-08-00850-а).

 

Список литературы

1.    Митчелл Э. Руководство по ГИС анализу. Т. 1: Географические закономерности и взаимодействия. NewYork: ESRIPress, 2001. С. 14-18.

2.    Арбузов П.А. Геоинформационные системы. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. С. 5-17.

3.    Толченников Ю.С. Оптические свойства ландшафта. Л.: Наука, 1974. С. 12-16.

4.    Белоглазов И.Н., Коваленко В.П., Смирнов Ю.Н., Халтобин В.М. Авиационная светотехника. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1987. C. 119-122.

5.    Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. С. 225-233.

6.    Филиппов В.Л., Макаров А.С., Иванов В.П. Оптическая погода в нижней тропосфере: науч.-техн. сб. Казань: Дом печати, 1998. С. 65-86.

7.    Веселов Ю.Г., Матиясевич Л.М., Тихонычев В.В. О пространственно-временном прогнозировании условий аэрокосмической съемки в составе географических информационных систем // Материалы IX Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского». М.: ВВА, 2010. С. 379.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)