Характеристика даних супутникових знімань

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИКОРИСТАННЯ ВИСОТНИХ ДАНИХ СУПУТНИКОВИХ КОМПЛЕКСІВ ДЛЯ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧ НАРОДНОГО ГОСПОДАРСТВА

Головним джерелом даних про земну поверхню і надалі залишаються карти, але в останні два десятиліття інтенсивно впроваджуються методи, пов'язані з цифровим представленням земної поверхні та динаміки її змін. Кінець ХХ століття, з його величезним за розмахом розвитком інформаційних технологій, характеризується кардинальними змінами в інженерній науці та практиці. Тому закономірно, що сучасні методи комп'ютерного опрацювання інформації базуються на створенні цифрових моделей рельєфу (ЦМР), які слугують основою для ГІС і є пріоритетними для вирішення цілої низки наукових та народно-господарських завдань. Наприклад, інтерактивні методи проектування інженерних споруд, аналіз просторових даних, управління територіями вимагають подання інформації про місцевість в цифровій формі. У більшості задач власне ЦМР є незамінною формою подання інформації про Землю або її частин від глобального до субрегіонального рівнів[1].

Космічна зйомка дозволяє вирішити завдання створення досить точних цифрових моделей місцевості із застосуванням високотехнологічних методів обробки даних ДЗЗ. Для створення такої продукції необхідні зображення, що утворюють стереопару, або інтерферометричну пару (тільки для радарних даних), що дозволяють отримати інформацію про рельєф місцевості, а також спеціалізоване програмне забезпечення для подальшої обробки отриманої інформації.

В даний час існує деяка плутанина в інтерпретації зарубіжної термінології:

· DEM = Digital Elevation Model = Висота рельєфу (ЦМР - Цифрова модель рельєфу, відображає природний рельєф місцевості);

· DSM = Digital Surface Model = Висота видимої поверхні (ЦММ - Цифрова модель місцевості, відображає природний рельєф місцевості з рослинністю та різноманітними штучними перешкодами (будинками та ін.), також на моделі відредаговані водні об’єкти, їм присвоєне однакове значення висоти);

· DTM = Digital Terrain Model - точного визначення не існує, в деяких випадках розглядається аналогічно ЦМР (DEM),в деяких випадках включає додаткову інформацію (Рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Різниця між DTM та DSM

Отже, під цифровою моделлю рельєфу – ЦМР (в англомовній науковій літературі — Digital Elevation Model, DEM) – у геоінформатиці звичайно розуміють цифрове подання топографічної поверхні у вигляді регулярної мережі комірок заданого розміру (grid DEM) або нерегулярної трикутної мережі (TIN DEM) для певної території. Ці дві форми подання ЦМР є в наш час взаємно конвертованими і мають практично однакові можливості щодо подання і аналізу рельєфу[2].

Глобальна цифрова модель рельєфу (Global Digital Elevation Model, GDEM) – засіб цифрового представлення тривимірних просторових об'єктів (поверхонь, рельєфів) у вигляді тривимірних даних як сукупності висот або відміток глибин для всієї планети Земля в цілому[3].

Цифрова модель рельєфу визначена як цифрове і математичне представлення рельєфу місцевості на основі дискретної сукупності вихідних точок, які дозволяють з заданою точністю відтворити реальну поверхню та її структуру. Дані для створення ЦМР отримують з фотограмметричних вимірювань, з наземного (геодезичного) знімання, шляхом сканування горизонталей на картах з фіксацією результатів в цифровій формі, за матеріалами дистанційного зондування або з використанням лазерних та інших систем, які дають просторові координати точок місцевості[1].

Загальнодоступність даних і технології побудови ЦМР, дають можливість багатьом країнам на створення національних моделей рельєфу, які використовуються для особистих потреб країни. Прикладами таких країн є США, Канада, Ізраїль, Данія і деякі інші країни.

Розглянемо загальнодоступні методи отримання даних глобальних ЦМР.

Висотні дані дозволяє отримувати система LIDAR (Light Detection And Ranging). LIDAR є методом дистанційного зондування із використанням імпульсного лазерного сканера. Ці світлові імпульси – в поєднанні з іншими даними, утворюють тривимірну інформацію про форму Землі та характеристики її поверхні. Таким чином можлива побудова як цифрової моделі рельєфу, так і цифрової моделі місцевості. Від висоти знімання залежить його точність. Середня точність повітряного лазерного сканування становить 15 см в плані і по висоті, максимальна – до 5 см. При цьому за один день можливе знімання до 1000 км² [4].

Дана система дозволяє вченим та фахівцям вивчати як природні, так і штучні середовища з високою точністю. Вчені NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) використовують LIDAR, щоб отримати більш точні карти берегової лінії, зробити цифрові моделі рельєфу для використання в географічних інформаційних системах[5].

В 2001 році був запущений супутник Jason із запланованим терміном служби від 3 до 5 років. Jason-1 допоміг створити гігантську базу даних з топографії Світового океану за 20-річний період, яку почав поповнювати відомостями ще в 1992 р. супутник NASA / CNES Topex / Poseidon. Зробивши більш 53500 обертів навколо нашої планети, Jason-1 склав точні карти рівня моря, швидкості вітру і висоти хвиль для більш ніж 95% вільної від льоду поверхні океану, виробляючи свої вимірювання кожні 10 днів. Точність визначення висоти поверхні океану складала 4 см. Ця місія дозволила вченим глибше зрозуміти циркуляцію вод океану і відстежити підйом рівнів вод у морях, щоб робити більш точні прогнози погоди. Проте контакт з супутником Jason-1 був втрачений 21 червня 2013 року, а рішення про його виведення з експлуатації було прийнято 1 липня після низки безуспішних спроб диспетчерів відновити зв'язок. Вже з 2008 року був запущений супутник Jason-2. На початку 2015 NASA і його міжнародні партнери CNES, NOAA та EUMETSAT запустять супутник Jason-3, який продовжить топографічні дослідження океанічної поверхні, розпочаті Topex / Poseidon і супутниками Jason-1 і Jason-2.

Вчені переконані, що Jason3 буде робити максимально деталізовані вимірювання рівня Світового океану на Землі, що дасть можливість отримати всеохоплюючі відомості про океанічної циркуляції і зміну клімату. Дані зі супутника доступні на сайті NOAA и CNES[6].

Супутник ERS-1 був спроектований для здійснення високоточних вимірювань при спостереженні за поверхнею Землі і її атмосферою. Він взяв на себе багато вимірювання, не доступні існуючих супутникових систем, включаючи інформацію про стан моря, морських вітрах, циркуляції океанічної води і рівні крижаного покриву.

Супутник був запущений 17 липня 1991 і за час свого існування передав більше 1.5 млн зображень за допомогою радара з синтезованою апертурою SAR (Synthetic Aperture Radar). Ці знімки разом з даними, отриманими від інших приладів, знайшли застосування більш ніж у 4000 організацій по всьому світу. Інформацію від скаттерометра і висотоміра використовували метеорологічні служби для короткочасного і довгострокового прогнозу погоди, прогнозу швидкості і напряму вітру. Високою точністю відрізнялися вимірювання температури морської поверхні, критичною до змін клімату, виконані за допомогою радіометра. При спостереженні за температурними фронтами можна було визначити місцезнаходження риби в океані. Апарат стежив за циркуляцією океанічної води, переміщенням крижаних пластів і айсбергів. Комплексне дослідження поверхневих течій, топографії, температури і швидкості вітру дало можливість вченим спостерігати явище Ель-Ніньо. Інформація із супутника знайшла своє місце також у лісівництві, геології, сільському господарстві тощо. Супутник ERS-1 закінчив свою роботу 10 березня 2000 року через відмову бортової системи.

Наступником ERS-1 став супутник ERS-2, що запущений в 1995 році. Експлуатація супутника була припинена в липні 2011 році. З тих пір, у зв'язку з поломкою записуючого пристрою, зйомка ведеться тільки в межах доступності наземних станцій ESA. Дані зі супутників можна замовити із архіву (7-14 днів) та на замовлення (не більше 50 днів з моменту замовлення).

Основні технічні характеристики:

· Просторова роздільність - 26×30 метрів;

· Ширина полоси знімання – 100 км.;

· Швидкість передачі даних на наземний сегмент - 105 Мбіт/с;

· Формат файлів – CEOS[7].

Космічні апарати Terra і Aqua є частиною комплексної програми NASA EOA (Earth Observing System), спрямованої на дослідження Землі і складається з трьох спеціалізованих супутників Terra, Aqua і Aura, призначених для дослідження суші, води і атмосфери відповідно.

Одним з ключових інструментів американських супутників серії EOS є спектрорадіометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer). MODIS, встановлений на супутниках Terra і Aqua, має 36 спектральних каналів з 12-бітовим радіометричним розділенням у видимому, ближньому, середньому і далекому ІЧ діапазонах, і дозволяє проводити регулярну зйомку одній території з просторовим дозволом до 250 м. Розрахунковий термін перебування на орбіті становить близько 6 років. Основні технічні характеристики наведені в таблиці 1.1[8].

Таблиця 1.1 – Характеристика даних

Дата запуску: 4 травня 2002 року
Режими/Канали	1-2	3-7	8-19	20-25		27-36
Спектральний діапазон(мкм):	0,36-0,88	0,46-2,16	0,41-0,97	3,66-4,55	1,36-1,39	6,54-14,39
Просторове розділення в надирі:	250 м.	500 м.	1000 м.
Ширина полоси знімання	2300 км
Радіометричне розділення:	12 біт на піксель
Періодичність знімання:	2 рази на день

Результат роботи ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) GDEM розроблений спільно METI (Minister of Economy, Trade and Industry) і NASA (The National Aeronautics and Space Administration). Сенсор ASTER створений METI і запущений на борту супутника NASA Terra в грудні 1999 року. Сенсор має можливість стереоскопічної зйомки уздовж смуги прольоту за допомогою двох телескопів, що знімають в надир. Просторова роздільна здатність в плані – 15 метрів. Одна сцена ASTER у видимому або ближньому інфрачервоному діапазоні має розмір 4100 на 4200 елементів, що відповідає 60×60 км на поверхні Землі. Для створення ASTER GDEM використовувалася автоматична обробка всього архіву даних ASTER, що налічує 1,5 мільйона сцен.

Дані безкоштовні і доступні через NASA Reverb. ASTER GDEM охоплює поверхню суші між 83° пн.ш. і 83° пд.ш. і налічує 22600 фрагментів розміром 1°×1°. ASTER GDEM поширюється в форматі GeoTIFF в географічній системі координат (широта/довгота) і роздільною здатністю 1 кутова секунда (приблизно 30 метрів). Система координат даних WGS84/EGM96. У таблиці 1.2 зведені основні характеристики ASTER GDEM.

Таблиця 1.2 – Характеристика даних ASTER GDEM

Розмір фрагмента	3601 x 3601 (1°×1°)
Роздільність	1 кутова секунда (30 м)
Географічні координати	Широта, довгота
Вихідний формат ЦМР	GeoTIFF, 16 біт з бітом знака, система координат WGS84/EGM96
Спеціальні значення	9999 для прогалин в даних, 0 для води
Охоплення	83° пн.ш. - 83° пд.ш., 22600 фрагмента
Обсяг на диску	25963980 байт (близько 26 мегабайт)

Статистично ASTER GDEM характеризується попередньою оцінкою точності в 20 метрів (довірчий інтервал 95%) по всьому світу. Точність деяких фрагментів істотно краще 20 метрів, деяких істотно гірше. Продукт містить аномалії і артефакти, які можуть зменшити його застосовуваність в деяких додатках, так як вони можуть вносити істотні на локальних масштабах великі вертикальні помилки. Незважаючи на ці недоліки, ASTER GDEM може виявитися корисним у багатьох проектах, включаючи глобальні[9].

SRTM ( Shuttle Radar Topography Mission ) – радарна топографічна зйомка в більшій частині території земної кулі, за винятком найбільш північних (˃60°) та найбільш південних широт (>54°), а також океанів, вироблена за 11 днів у лютому 2000 р за допомогою спеціальної радарної системи «Шаттл». Двома радіолокаційними сенсорами SIR-C і X-SAR, було зібрано понад 12 терабайт даних. Дані SRTM доступні безкоштовно в декількох видах, зокрема, версія даних у форматі GeoTIFF (мозаїки 5×5 градусів) з виправленими областями.

Основні характеристики даних:

· глобальне покриття з обмеженнями по широті;

· роздільність приблизно 25 × 25 метрів;

· горизонтальна точність близько 20 метрів, вертикальна близько 16 метрів;

· загальний обсяг даних близько 100 Гб.

Дані SRTM є вільно доступними тільки з 90-метровою роздільною здатністю на весь світ і 30-метровою роздільною здатністю на територію США[10].

Проте, справжній прорив у цій сфері буде зумовлений проектом WorldDEM. Набір даних з безпрецедентною якістю, точністю та охопленням буде доступний з 2014 року для всієї поверхні суші Землі – від полюса до полюса. Точність WorldDEM перевершить будь-яку супутникову глобальну модель рельєфу, доступну сьогодні.

WorldDEM гарантує глобальну ЦМР без будь-яких ліній розриву в регіональних або національних кордонах, викликаних різними процедурами вимірювання або збору даних кампаніями зміщеними в часі. Це забезпечать німецькі радіолокаційні супутники високого дозволу TerraSAR-X і TanDEM-X, які утворюватимуть високоточний радіолокаційний інтерферометр в просторі. Два датчика можуть отримувати дані абсолютно надійно, вони працюють незалежно від хмарності і умов освітленості (Рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Супутники високого дозволу TerraSAR-X і TanDEM-X

Дані про однорідну модель рельєфу будуть доступні для всієї поверхні суші Землі, тобто на 150 мільйонів квадратних кілометрів в 2014 році.

Точність глобальної ЦМР матиме наступні унікальні особливості (Рис. 1.3):

· висока якість даних;

· узгоджені в часі набори даних, завдяки збору даних в рамках тільки 2,5 років;

· наземного контролю інформації не потрібно завдяки високій геометричній точності датчиків;

· ручне редагування забезпечує міжнародні стандарти якості.

Рисунок 1.3 - WorldDEM в порівнянні з SRTM 90 та SRTM 30

Порівнюючи SRTM 90 (ліворуч) і WorldDEM™ (праворуч) дані, видно істотне поліпшення точності і якості нового набору даних.

Проте дані WorldDEM не безкоштовні, для прикладу архівні дані без пост-обробки 8.00€ / км², а дані з врахуванням рослинності, забудови та гідрографії - 14.00€ / км² [11].

Продукт Geo Elevation, виробництва компанії SPOT Image - це унікальне на сьогоднішній день рішення з продажу готових цифрових моделей місцевості, отриманих шляхом обробки як оптичних стереоскопічних даних, одержуваних орбітальної угрупованням SPOT, так і радарних даних (TerraSAR-X). Geo Elevation містить в собі три основні категорії даних.

Elevation 30:

· Доступно більше 50 мільйонів квадратних кілометрів покриття;

· Вертикальна і горизонтальна точність DEM краще ніж 6 метрів, розмір пікселя - 30 метрів;

· Відмінні точностні характеристики;

· Можливість поставки безпосередньо як самого DEM (DTED2 DEM), так і ортозображення даного регіону + «маска якості»;

· Elevation 30 виробляється на основі комбінації фотограмметричної обробки даних та обробки радарних знімків;

· Ціна 2.30 € при мінімальному замовленні - 3000 квадратних кілометрів.

Elevation 10:

· Абсолютна вертикальна точність DEM краще 5 метрів, розмір пікселя - 10 метрів;

· Ціна 17 € при мінімальному замовленні даних від 500 квадратних кілометрів;

· Продукт сформований за допомогою поєднання технологій обробки стерео пар StripMap, уточнених даними TerraSAR-X;

· Можливість поставки безпосередньо як самого DEM (DTED3 DEM) так і ортозображення даного регіону + «маска якості».

Elevation +

· DEM розраховується на основі знімків, отриманих з борту літака;

· Високо детальні дані з плановим дозволом до 1 метра;

· Вертикальна точність - 20 см (LE 90);

· Планова точність - 50 см (CE 90);

· Найвища точність ЦМР у всій лінійці Geo Elevation [12].

Цифрова модель рельєфу є важливою функцією в географічних інформаційних системах, так як з її допомогою можна змоделювати рельєф території та візуалізувати його у вигляді тривимірних зображень, тим самим, надаючи можливість для побудови віртуальних моделей місцевості.

Дата добавления: 2015-08-31