ГИС

Космические данные высокого разрешения

Вывод на орбиту коммерческих спутников высокого разрешения открыл широкому кругу украинских пользователей доступ к уникальным данным изображения Земли, собранным на борту космического аппарата и передаваемым на Землю в цифровом виде.

Первый в мире коммерческий спутник метрового разрешеия IKONOS (координатор проекта и главный поставщик данных – корпорация Space Imaging, Денвер, Колорадо, США) с метровым панхроматичеким и четырёхметровым мультиспектральным сенсорами был запущен 24 сентября 1999 года. За четыре года работы на 680-километровой околоземной орбите IKONOS собрал огромный архив изображений Земли и до сих пор считается непревзойдённым по точности полученных данных. 18 октября 2001 года с авиабазы Ванденберг (Калифорния, США) успешно стартовал ракетоноситель Дельта-II, который вывел на 450-километровую орбиту новый коммерческий спутник QuickBird (проект корпорации DigitalGlobe, Лонгмонт, Колорадо, США). Оперируя на более низкой орбите, QuickBird собирает данные поистине с самым высоким в мире разрешением 61 сантиметр на пиксел в панхроматическом режиме и 2,44 метра на пиксел в мультиспектральном диапазоне.

В этой статье потенциальный пользователь данных высокого разрешения найдёт ответы на часто задаваемые вопросы, касающиеся технических характеристик и спецификации изобразительных продуктов высокого разрешения, процедуры заказа и приобретения продуктов. В конце статьи приведены несколько примеров космических данных высокого разрешения.

1. Космические продукты высокого разрешения, как результат интеграции высоких технологий и предмет лицензирования на использование.

Высокое разрешение и точность космических данных высокого разрешения обеспечиваются применением совершенных технологий сбора, обработки и передачи данных. Достаточно сказать, что первичное зеркало оптической системы космического аппарата IKONOS отполировано до околодифракционной точности с использованием управляемого компьютером процесса “бомбардировки” зеркала ускоренным лучом нейтрализованных ионов аргона для доведения ошибок формы поверхности до атомарного уровня. Бортовой процессор IKONOS способен сжимать собираемые данные со скоростью 115 миллионов пикселей в секунду без потери качества и сразу же передавать их на Землю со скоростью 320 Мегабит в секунду в реальном времени. QuickBird имеет бортовой накопитель ёмкостью около 127 Гигабит, что позволяет ему хранить около 57 стандартных кадров, охватывающих площадь 16,5 на 16,5 километров каждый. Этот громадный объём информации спутник собирает всего за 130 секунд с площади около 15000 квадратных километров. Сеть приёмных станций, распределённых по всему миру, позволяет принять данные, собранные практически в любой точке Земного шара. Для обработки данных используется самое совершенное программное обеспечение. В частности, корпорация Space Imaging перед запуском IKONOS закупила одновременно 13 комплектов ERDAS IMAGINE Professional, 9 комплектов ERDAS IMAGINE Essentials и 5 дополнительных модулей ERDAS IMAGINE Vector. На основе собранных данных поставщики производят и предлагают заказчикам набор продуктов, от простейших географически привязанных изображений до ортоизображений, которые, как правило, уже готовы для использования в ГИС-приложениях. Кроме того, пользователь может сам более точно привязать изображение и на основе простейших продуктов получить ортоизображение, соответствующее картографическим материалам масштаба до 1:2400.

Полученный продукт – это не просто изображение Земли, а основа для создания и анализа многослойных ГИС-овских контрукций, а также обновления картографического материала. Поэтому пользователь прежде всего должен понимать, что:

· он приобретает специфический, уникальный и ценный информационный продукт, который является результатом многолетних разработок и испытаний космических носителей, оптических ситем, прецезионных сенсоров, компьютерных технологий, а также средств доставки и методов обработки огромных потоков информации;

· право собственности на продукт принадлежит исключительно поставщикам и разработчикам продуктов, и пользователь не имеет права копировать, репродуцировать и продавать этот продукт без санкции производителя точно также, как соблюдаются авторские права при покупке книги или компьютерного программного обеспечения;

· пользователю предоставляется неисключительная лицензия на использование продукта только для его внутренних потребностей без права передачи или сублицензирования.

Оставляя за собой авторское право и право интеллектуальной собственности на продукты, поставщики предлагают заказчикам несколько видов лицензии на использование продуктов. Наиболее популярными среди них являются лицензия одиночного пользователя (лицензия организации с простой структурой) и многопользовательская лицензия (лицензия мультиагентства/корпорации).

Принимая условия лицензии одиночного пользователя, пользователь получает право на использование продуктов, которое включает возможность:

· создания нескольких копий только для внутреннего использования;

· модификации продуктов только для внутреннего использования;

· использования продуктов для создания производных продуктов;

· предоставления продуктов подрядчикам для разработки производных продуктов;

· создания распечатки копий на твердых носителях на ограниченной не коммерческой основе для использования в научных отчетах или подобных публикациях, при условии, что пользователь четко определяет авторское право на продукт.

После уведомления поставщика об использовании, пользователь может поместить продукты и производные продукты в Интернете на web-сайте, при условии невозможности загрузки («скачивания») изобразительных данных или сбора данных с экрана. В любом случае необходимо четко определять авторское право на продукт.

Лицензия предусматривает право пользователя на разработку дополнительных (вторичных) продуктов. Следует отличать изобразительные данные, содержащиеся в продуктах и вторичные продукты, полученные на основе этих данных. Например, векторные данные, цифровая модель рельефа (ЦМР). тематические слои классификатора, которые получены на основе изобразительных продуктов, являются вторичными и авторское право на них сохраняется за пользователем.

Несколько заказчиков могут объединиться в группу пользователей и приобрести многопользовательскую лицензию (лицензия мультиагентства/корпорации). В этом случае предполагается небольшая надбавка стоимости продуктов для лицензии на использование несколькими организациями, но при этом общая стоимость продуктов делится между всеми пользователями. Надбавки для мультипользовательской лицензии различны для продуктов IKONOS и QuickBird, и варьирутся в зависимости от количества организаций.

2. Технические характеристики спутников и продуктов высокого разрешения

Космические аппараты IKONOS и QuickBird во многом похожи друг на друга и большинство технических характеристик, в частности, фоусное расстояние оптических ситем и спектральные характеристики сенсоров, у них во многом совпадают. Существенное отличие состоит в разной высоте орбиты этих космических аппаратов. За счёт снижения высоты орбиты практически в полтора раза сенсор космического аппарата QuickBird получил возможность собирать данные более высокого разрешения.

Сравнительные технические харктеристики космических аппаратов IKONOS и QuickBird приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные характеристики IKONOS и QuickBird

 

IKONOS

QuickBird

Высота орбиты

681 км

450 км

Скорость на орбите

7.5 км/сек

7.6 км/сек

Скорость относительно Земли

6.8 км/сек

7.0 км/сек

Число оборотов вокруг Земли

14.7 за 24 часа

15.4 за 24 часа

Время оборота вокруг Земли

98 минут

93.5 минуты

Пространственное разрешение

в надире

Пан: 0.82 м/пиксель

МС: 3.2 м/пиксель

Пан: 0.61 м/пиксель

МС: 2.44 м/пиксель

Пространственное разрешение офф-надир до 26°

Пан: 1.0 м/пиксель

МС: 4.0 м/пиксель

Пан: 0.72 м/пиксель

МС: 2.88 м/пиксель

Спектральное разрешение

Пан: 0.45 – 0.90 мкм

Мультиспектральный:

Синий: 0.45 – 0.52 мкм

Зелёный: 0.51 – 0.60 мкм

Красный: 0.63 – 0.70 мкм

Инфракрасный: 0.77 – 0.85 мкм

Пан: 0.45 – 0.90 мкм

Мультиспектральный:

Синий: 0.45 – 0.52 мкм

Зелёный: 0.52 – 0.60 мкм

Красный: 0.63 – 0.69 мкм

Инфракрасный: 0.76 – 0.90 мкм

Радиометрическое разрешение

11 бит/пиксель

11 бит/пиксель

Ревизит территории

2.9 дня в надире

3.5 дня в надире

Ширина захвата территории

11,3 км в надире

13,8 км офф-надир до 26°

16,5 км в надире

19,4 км офф-надир до 26°

Стандартный кадр

10 х 10 км

16.5 х 16.5 км

Непрерывная полоса за 1 проход

10 х 100 км

16.5 х 165 км

В настоящее время космические данные высокого разрешения предоставляются пользователю, как правило в обработанном виде, исключая поставки так называемого «сырого» изображения. Основные типы продуктов подразделяются на панхроматические (PAN), мультиспектральные (MSI), продукты одновременной поставки PAN и MSI (Bundle) и цветные продукты, полученные с целью усиления чёткости мультиспектрального изображения панхроматическим, которые получили название Pansharpened Multispectral (PSM). Последний продукт представляет собой цветное изображение в натуральных цветах, либо мультиспектральное изображение с пространственным разрешением панхроматического изображения.

Надо отметить, что поставщики, помимо простейших продуктов, предлагают прецезионное и орторектифицированное изображение. Однако, для его производства заказчик обязан предоставить наземные контрольные точки и цифровую модель рельефа, что невозможно в условиях соблюдения режима секретности топографических данных. Поэтому в дальнейшем поставка таких продуктов исключается из рассмотрения.

Главный поставщик продуктов IKONOS корпорация Space Imaging и его региональные филиалы предлагают заказчикам только продукты, которые геометрически и радиометрически скорректированны. Корпорация DigitalGlobe, главный поставщик продуктов QuickBird, поставляет на рынок почти аналогичный набор продуктов под общим названием «Стандартное Изображение». Однако, в ассортименте этой корпорации присутствует линия продуктов под названием «Базовое Изображение». Эти продукты имеют только радиометрическую коррекцию и предназначены для продвинутого пользователя, который владеет методикой и средствами обработки «сырого» изображения.

Основные типы и спецификация продуктов IKONOS и QuickBird приведены в Таблице 2.

Таблица 2. Спецификация продуктов IKONOS и QuickBird

 

IKONOS

QuickBird

Продукты GEO

Стандартные продукты

Базовые продукты

Среднеквадратическая ошибка позиционирования ± 15 метров; выполнены радиометрическая и геометрическая коррекция;

минимальный заказ новых данных – 100 кв.км, архивных данных – 50 кв.км.

Среднеквадратическая ошибка позиционирования ± 14 метров; выполнены радиометрическая и геометрическая коррекция;

минимальный заказ новых данных – 64 кв.км, архивных данных– 25 кв.км.

Среднеквадратическая ошибка позиционирования ± 14 метров; выполнена только радиометрическая коррекция;

Минимальный заказ –стандартная сцена 16,5 х 16,5 км

PAN

Панхроматические данные,

1 метр/пикс

Панхроматические данные,

0.61 метр/пикс

Панхроматические данные,

0.61 – 0.72 метр/пикс

MSI

Мультиспектральные данные,

4 метр/пикс, 4 канала

Мультиспектральные данные,

2.44 (2.88) метр/пикс, 4 канала

Мультиспектральные данные,

2.44 – 2.88 метр/пикс, 4 канала

Bundle

PAN + MSI одновременно

PAN + MSI одновременно

PAN + MSI одновременно

PSM

Натуральный цвет, 3 канала;

Псевдоцвет, 3 или 4 канала,

1 метр/пикс,

Натуральный цвет, 3 канала;

Псевдоцвет, 3 или 4 канала,

0.6 (0.7) метр/пикс,

Не производится

Потенциальный пользователь данных высокого разрешения должен быть готов к приёму и обработке огромных объёмов информации. Например, стандартный кадр панхроматического изображения IKONOS, содержащий двухбайтовые пиксели изображения площади Земной поверхности размером в 10 х 10 км, записывается в файл размером 200 Мбайт. Цветное трёхканальное изображений (PSM) соответственно увеличит объём данных втрое (600 Мбайт), а четырёхканальное – вчетверо (800 Мбайт). Следует помнить, что увеличение 1-метрового простанственного разрешения в 2 раза (что практически соответствует разрешению сенсоров QuickBird) увеличит объём данных вчетверо. Тем более, что стандартный кадр QuickBird существенно больше и имеет размер 16.5 х 16.5 км (27552 х 27424 пикселей). Нетрудно подсчитать, что стандартный кадр двухбайтового панхроматического изображения QuickBird разместится в файле размером 1.51 Гбайт, а цветной трёхканальный – соответственно в файл размером в 4.53 Гбайта.

В связи с этим поставщики используют для доставки данных носители информации большой ёмкости: компакт-диски (CD-ROM и DVD), магнитные ленты Exabyte-8500 и DLT-7000. Для небольших заказов практикуется доставка данных по каналам Интернет (FTP). При поставке данных QuickBird на CD-ROM стандартный заказ обычно разбивается на части по 25 кв. км., таким образом заказывая минимальный стандартный объём данных QuickBird для продукта PSM на площадь 64 квадратных километра пользователь получит его на 3 – 4 компактных дисках. Примеры исполнения заказов QuickBird приведены на Рис.1.

Пример поставки заказа данных QuickBird.

Рис.1. Пример поставки заказа данных QuickBird.

Продукты как правило поставляются в формате GeoTIFF версии 1.0, поэтому, заказчик сразу имеет возможность работать с геопривязанными данными в любой ГИС, поддерживающей этот формат данных, например, ESRI ArcView 8.x, ESRI ArcGIS 8.x, ERDAS Imagine версии 8.3 и выше, ERDAS Image Analisys любой версии. Визуализировать данные можно и с помощью бесплатно распространяемого программного пакета ERDAS ViewFinder. Надо отметить, что множественные попытки визуализировать, масштабировать, панорамировать и мозаицировать полученные данные в традиционных графических редакторах могут остаться безрезультатными.

3. Особенности сбора и первичной обработки данных высокого разрешения

Сенсоры космических аппаратов QuickBird и IKONOS собирают данные в цифровом виде, вращаясь одновременно с носителем, на котором они установлены, вокруг Земли по наклонной круговой околополярной солнцесинхронной орбите. В отличие от фотографических систем, в которых фрагмент поверхности Земли фиксируется мгновенно и целиком при срабатывании затвора фотокамеры, линейные цифровые сенсоры формируют изображение построчно, за счёт движения носителя по орбите, как бы «подметая» поверхность Земли, за что они и получили название PushBroom, что в буквальном переводе звучит – «продвигающаяся метла». Сенсор высокого разрешения имеет малый угол обзора (как правило менее одного градуса) и за один проход спутника он охватывает небольшую полосу Земной поверхности, обеспечивая в надире минимальные искажения лишь по краям полосы, параллельным траектории движения спутника. При этом полосы данных, собранные с соседних орбит, не пересекаются, а изображение при малом перепаде высот практически соответствует ортофотоплану. Для того, чтобы обеспечить оперативность сбора данных, оптическая система спутника имеет возможность по заданию операторов отклоняться от надира на угол до 25 – 30 градусов. Однако, при этом возрастают искажения, особенно при сборе данных в горных областях, и для создания ортоизображения необходимо использовать цифровую модель рельефа местности. В любом случае полученные «сырые» данные будут подвергнуты первичной обработке с целью исправления геометрических искажений (геометрическая коррекция) и устранния ошибок регистрации данных (радиометрическая коррекция).

Коррекция ошибок сенсора учитывает внутреннюю геометрию детектора, оптическую дисторсию, дисторсию сканирования, какие-либо построчные отклонения, а также геометрическое смещение мультиспектральных сенсоров относительно панхроматического. Кроме того геометрическая коррекция устраняет ошибки колебаний высоты орбиты и позиции космического аппарата на орбите, ошибки вращения и кривизны Земли, а также устраняет панорамическую дисторсию. Операторы QuickBird в дополнение к этому, используют грубую ЦМР для нормализации топографических отклонений рельефа по отношению к справочному элипсоиду.

Применяемая радиометрическая коррекция учитывает относительную радиометрическую зависимость между детекторами, нечувствительную зону детектора и переход абсолютной радиометрии.

Профессиональные, или как их часто называют, продвинутые прользователи могут использовать в своих задачах Базовое Изображение QuickBird, вместе с метаданными которого поставляется расширенный набор уточнённых Данных Поддержки Изображения (ISD – Image Support Data), включающих файл с эфемеридными данными, файл геометрической калибровки системы цифровой камеры и файл с коэффициентами рационального многочлена (RPC – Rational Polynomial Coefficient) модели камеры. Используя эти данные, при наличии соответствующего программного обеспечения и опыта обработки, продвинутый пользователь способен сам получить высококачаственный и геометрически точный изобразительный продукт.

4. Оформление заказа на сбор данных

Процедура оформления заказа и доставки данных IKONOS и QuickBird практически одинакова и очень проста. Заказчику необходимо указать следующие данные и параметры:

· Реквизиты организации и контакное лицо конечного пользователя;

· Тип продукта: Спутник – IKONOS или QuickBird; Данные – PAN, MSI, PSM, PAN+MSI;

· Тип заказа: поставка архивных данных или сбор новых данных;

· Для новых данных – вид заказа: стандартный, приоритетный или срочный, а также желаемое окно (промежуток времени) сбора данных;

· Область интереса (AOI – Area Of Interest);

· Система координат и справочный эллипсоид (по умолчанию – UTM, WGS84);

· Формат данных (по умолчанию – GeoTIFF ver. 1.0);

Оперируя на орбите в течение нескольких лет, спутники IKONOS и QuickBird собрали и передали на Землю огромный объём данных. Следует помнить, что данные IKONOS черырёхмесячной давности, а QuickBird – двухмесячной давности считаются уже архивными. Такие данные как правило дешевле новых, поэтому прежде чем оформить заказ на сбор новых данных пользователю стоит изучить существующий архив. Каталоги архивных данных как правило содержат QuickLook изображения, то есть возможность просмотра данных с загрублённым разрешением, поэтому пользователь всегда может заранее определить наличие данных в архиве, дату и основные параметры съёмки, а также оценить охват территории и качество изображения.

Архивные данные как правило поставляются в течении 10 – 20 дней после регистрации заказа. Срок поставки в большинстве случаев зависит от объёма заказа.

При заказе новых данных срок поставки зависит от вида заказа, который может быть стандартным, приоритетным или срочным.

Окно сбора данных для стандартного заказа открывается на 7 – 14 день после его регистрации и внесения задания на сбор данных в программу спутника. Окно сбора для стандартного заказа может быть определено пользователем в пределах 14 – 365 дней. Тем не менее стандартный заказ, как правило, реализуется в течение 1,5 – 2 месяцев.

Окно сбора данных приоритетного заказа открывается на 5 день после его регистрации и внесения задания на сбор данных в программу спутника. Окно сбора для приоритетного заказа также может быть определено пользователем, однако приоритетный заказ традиционно реализуется в течение 2 – 3 недель, при этом пользователь обязан оплатить 50%-ную надбавку стоимости продукта.

Срочный заказ реализуется быстрее любого другого, но при этом пользователь оплачивает двойную стоимость продукта. В случае срочного заказа спутник начинает выполнять задание через 48 часов с момента регистрации заказа и данные будут собраны в самый ближайший проход спутника над территорией интереса. В случае удачного сбора данных заказчик получит продукт в течение 1 – 14 дней, в зависимости от сложности первичной обработки.

С апреля 2003 года корпорация Eurimage начала поставку серии изображений, полученных спутником QuickBird для одной и той же области интереса. Пользователю предоставляется право выбора периодичности пересъёмки заказанного AOI: 1 раз в два месяца, 1 раз в квартал, 1 раз в полугодие или 1 раз в год. В случае заказа серии изображений заказчик получает второе изображение со скидкой 20%, а третье и каждое последующее – со скидкой 25%, причём первое изображение может быть заказано из архива, то есть тоже со скидкой.

Необходимо заметить, что регистрация (подтверждение) любого заказа происходит только после его предоплаты и поступления денег на банковский счёт поставщика, то есть Space Imaging EURASIA или Eurimage.

Область интереса (AOI) заказчик может определить в виде прямоугольника с указанием координат верхнего-левого и правого-нижнего углов в десятичных градусах. Область интереса может быть задана также в виде произвольного полигона, любое ребро которого должно быть не менее 5 километров. Полигон может быть представлен в виде ESRI shape-файла или в виде ASCII-файла с перечнем координат вершин полигона в десятичных градусах.

5. Примеры данных высокого разрешения для пользователей Украины

В 2002 году был успешно реализован первый ГИС-проект с использованием данных IKONOS, поставленных компанией ЕСОММ для украинского заказчика. Панхроматический снимок метрового разрешения был использован для обновления цифровой карты города Белгород-Днестровский, определения новых границ районов и городской застройки в целом. Чёткое изображение и великолепная деталировка космических данных создали возможность построения векторных слоёв кварталов, зданий и сооружений, береговой линии и внутренних водоёмов, уличной и дорожной сетей. Созданные с помощью ArcView 8.2 векторные слои в совокупности с атрибутивной информацией составили основу многослойной конструкции муниципальной ГИС. В конце 2002 – начале 2003 года был успешно реализован проект поставки данных QuickBird для города Одессы. Данный проект показателен тем, что сбор данных производился в середине зимы. Полученное 60-сантиметровое цветное изображение с улучшенной панхромом чёткостью явилось великолепной основой по согласованию административных границ городской территории, как границ районов внутри города, так и внешних границ города с районами области. Незначительный снежный покров и полное отсутствие лиственного покрова деревьев создают хорошие условия для дешифрирования зимнего изображения южных городов Украины. Пример данных 60-сантиметрового разрешения показан на.

В настоящее время процесс поставки космических данных полностью отлажен, реализованы несколько проектов сбора данных и поставки из архива данных, отработана процедура стандартной и приоритетной поставки данных.

 ArcCadastre® – Новый продукт геоинформационных технологий для ведения земельного кадастра.

ArcCadastre – програмный продукт для ведения кадастра, разработанный совместно Шведской геодезической службой и ESRI. Сочетает в себе мощный ГИС-инструментарий ArcEditor® и геодезическое приложение Survey Analyst®. Используя ArcSDE, позволяет хранить и обрабатывать значительные обьёмы информации в промышенных базах данных

Технологии FME предоставляют возможность импорта-экспорта из большинства основных ГИС и CAD форматов.

Используя новую технологию, чётко заданных и жестко контролируемых сценариев (Workflow) поэтапного выполнения всех кадастровых операций, даёт возможность организации высокоэффективной и удобной в управлении системы ведения кадастра.

Реализует полную линейку производственного процесса, от обработки данных геодезических сьемок, обновления базы данных до выдачи пакета документов на земельный участок

Благодаря полной открытости, ArcCadastre может быть легко адаптирован под национальное земельное законодательство, процедуры и технологии проведения кадастровых работ. Предусматривает локализацию интерфейса на язык пользователя.

Предусматривает широкий диапазон применения:

· Муниципальное картографирование

· Системы ведения кадастра

· Производство индексных кадастровых карт

· Геодезия и картография

· Землепользование

· Системы оценки земли

· Землеустройство

Представляет собой высокотехнологичное и гибкое решение по выполнению многочисленных кадастровых задач.

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить