Методика создания тестовых участков для оценки качества материалов космической съемки

Во введении рассмотрено состояние исследуемого вопроса, обоснованы
выбор темы и ее актуальность, определены цель и задачи исследований, показаны
научнаяновизнатеоретическаяипрактическаязначимостьполученных
результатов.
В первом разделе выполнен анализ задач, решаемых с помощью материалов
космических съемок и требований к ним, а также проведена оценка состояния и
тенденций развития космических средств дистанционного зондирования Земли для
решения прикладных задач. Результаты этих исследований показали остроту
проблемынеобходимостиформализациипроцессавалидационных
подспутниковых наблюдений, в частности, в целях решения задач оценки не только
измерительного, но и изобразительного качества получаемых материалов
космической съемки земной поверхности.
Апостериорную оценку качества материалов ДЗЗ начали проводить (в том
числе с использованием наземных эталонных тестовых объектов) с момента
запуска первых КА аналоговой съемки с привлечением экспертов.
С запуском первых отечественных КА, предназначенных для детальной
оптико-электронного съемки, а также с созданием и развитием Системы
валидационных подспутниковых наблюдений (СВПН) все большее внимание стало
уделяться разработке более совершенных (в части оперативного и достоверного
анализа) аналитических методик оценки качества материалов ДЗЗ, основанных на
количественном подходе с минимальным привлечением экспертов.
Выполнение процедур периодического контроля параметров современных
технических средств ДЗЗ в процессе эксплуатации и, при необходимости, их
радиометрической и геометрической калибровки, неизбежно. Очевидна и
необходимость создания наземных тестовых участков. Но с учетом того факта, что
измерительные и изобразительные свойства материалов ДЗЗ взаимосвязаны между
собой также очевидной становится необходимость решения задачи создания (по
единым правилам) тестовых участков, которые обеспечивали бы всестороннюю
комплексную оценку (причем на единой априорной информационной базе) не
только измерительных свойств, но и пространственно-частотных характеристик,
изобразительногокачества,передаточныхсвойствиинформационных
возможностей материалов съемки космических средств ДЗЗ различного класса.
В рамках создания СВПН достаточно много внимания было уделено главным
образом развитию координатных тестовых участков (тест-объектами которых
являются опорные точки) и использованию искусственных мир, а также
методическим вопросам оценки измерительных свойств материалов ДЗЗ. Но
следуетучитывать,чтобылаиостаетсяактуальнойзадачаоценки
изобразительногокачестваполученныхматериаловоптико-электронной
космической съемки земной поверхности, поскольку ее результаты являются
единственными объективными данными, которые позволяют достоверно оценить
как технические возможности съёмочного оборудования, так и правильность
выбора условий и параметров съёмки, а также правильность выполненной
радиометрической обработки.
Процедуры создания, поддержания в работоспособном состоянии и развития
таких тестовых участков должны базировались на едином, стандартизированном
методическом подходе. При этом следует учитывать, что наиболее перспективным
для решения задач оценки как измерительного, так и изобразительного качества
является направление создания и использования тестовых участков базовыми
элементами, которых являются тест-объекты природного и антропогенного
происхождения.
Проведенный анализ показал, что для обеспечения возможности выполнения
такой (объективной, оперативной и достоверной) оценки, необходима методика,
которая на основе эталонных данных (актуальных тест-объектах природного
и антропогенного происхождения тестового участка) и системы обосновано
выбранных показателей (характеризующих в отдельности, или в их совокупности
изобразительное качество снимков) позволит обеспечить единство подхода
к оценке изобразительного качества материалов космической съёмки, получаемых
оптико-электронными системами ДЗЗ.
Во втором разделе на базе результатов выполненных комплексных
теоретических и практических исследований вопросов создания тестовых участков
и оценки изобразительного качества материалов космической съемки, определен
единый методический подход к созданию тестовых участков для оценки качества
материалов космической съемки в рамках разработанной методики (ее структурная
схема отражена на рис. 1), которая включает в себя:
– метод формирования каталога тестовых объектов (ТО), объединяющий
комплекс процедур, направленных на формирование, поддержание в рабочем
состоянии, развитие и использование сети наземных тестовых участков;
– метод оценки работоспособности тестового участка (ТУ);
– метод оценки (с использованием тестового участка) изобразительного
качества материалов космической съемки земной поверхности в оптическом
диапазоне спектра.
Разработанная комплексная методика – универсальна, а входящие в ее состав
методы можно применять как отдельно, так и в совокупности. Совместное
использование многократно повысит оперативность и достоверность оценки
качества тестируемых материалов для решения конкретной задачи.
Рисунок 1 – Схема методической основы комплексной методики создания
тестового участка для оценки качества материалов космической съемки
Метод формирования каталога ТО предусматривает выполнение ряда
процедур в рамках трех следующих этапов: подготовительный, полевой и
завершающий. На первом этапе выбирается и обосновывается территория под ТУ,
а также устанавливаются требования к ТО. На втором этапе проводятся работы по
определению необходимых характеристик ТО. На третьем этапе обобщается
геоинформация о ТУ и ТО и формируется база априорных данных (каталог тест-
объектов) в виде геоинформационной системы.
Выбор ТО зависит от различных факторов, в первую очередь от того какие
показатели качества необходимо оценивать.
В соответствии с ГОСТ «Перечень показателей качества данных ДЗЗ из
космоса, получаемых с КА оптико-электронного наблюдения в видимом и
ближнем инфракрасном диапазоне» показатели качества материалов ДЗЗ делятся
на координатно-измерительные, пространственно-частотные и радиометрические.
Важно отметить, что, учитывая реальность создания ограниченного
количества объектов, которые могут быть отнесены к разряду искусственных
(специально созданных), то внимание в рамках данной работы было уделено
выбору и исследованию объектов природного и антропогенного происхождения,
обеспечивающих исследование не только геометрических, но и изобразительных
свойств тестируемых космических снимков. При этом учитывалось следующее:
для оценки радиометрического разрешения на ТУ необходимо наличие
площадных объектов антропогенного происхождения и природных объектов
с условно постоянными спектральными отражательными характеристиками;
для оценки пространственно-частотных характеристик на ТУ необходимы
объекты с четкой границей и резким краем;
дляоценкикоординатно-измерительныххарактеристикнеобходимы
объекты с четко опознаваемым контуром.
Такжевбазеданных(каталоге)ТУдолжныприсутствовать
«топографические эталоны» и объекты, которые можно рассматривать как
«естественные миры».
Следует также отметить, что для всех выбранных ТО в рамках полевых работ
определяются необходимые характеристики для оценки соответствующих
показателей. Немаловажным фактором при выборе ТО является зависимость его
опознавания от условий съемки, изменчивости местности и др.
Очевидно, что вся собранная геопространственная информация на ТУ
должна быть систематизирована, заархивирована и каталогизирована. Также
необходимо иметь возможность доступа к этой информации, ее отображения,
обработки и анализа. Инструментальной основой для этого является ГИС.
Формирование базы априорных данных о подстилающей поверхности
системыразнесенныхтестовыхучастков,причемсистематизированной,
автоматизированнойивизуализированнойвединойсистеме,позволит
оптимизировать процесс оценки качества материалов космической съемки, а ее
результаты сделать более объективными.
Для того, чтобы оценить материалы космической съемки, мало базы данных
о ТУ, необходимо, чтобы тестовый участок поддерживался в работоспособном
состоянии. Для этого должны проводится соответствующие работы на основе
анализа его состояния. При этом очень важно понимать, что данный тестовый
участок пригоден для решения конкретной (поставленной) задачи.
Метод оценки работоспособности ТУ включает процедуры анализа
опознания ТО и актуальности ТУ, плотности и равномерности распределения ТО
по ТУ, формализованное (на базе математической модели ТУ) представление
которых дано ниже.
Математическая модель ТУ описывается выражениями (1 – 5). На ТУ
присутствуют объекты, обеспечивающие исследование не только измерительных,
но и изобразительных свойств тестируемых космических снимков, а также не
обнаруживаемые (при конкретной съемке тестового участка) ТО. Эту зависимость
можно описать следующим образом:
ОТУ ⊃ ОПЧХ ∩ ОКИХ ∩ ОРХ ∩ ОЭ ∩ О (1)

где ОТУ – множество объектов тестового участка, предназначенных для
исследованияизмерительныхиизобразительныхсвойствтестируемых
космических снимков;
ОПЧХ – множество объектов, предназначенных для обеспечения оценки
пространственно-частотных характеристик материалов космической съемки;
ОКИХ – множество объектов, предназначенных для обеспечения оценки
координатно-измерительных характеристик материалов космической съемки;
ОРХ – множество объектов, предназначенных для обеспечения оценки
радиометрических характеристик материалов космической съемки;
ОЭ – множество объектов-эталонов дешифрирования;
ОN – множество тест-объектов ТУ, не обнаруживаемых на материалах
конкретной съемки.
Процедуры анализа ТУ имеют следующие зависимости:

ОПЧХ ⊃ ОПЧХ ∩ ОПЧХ ∩ ОПЧХ (2)
где ОПЧХS – множество объектов, пригодных для оценки пространственно-
частотных характеристик тестового участка;
ОПЧХO – множество обнаруживаемых, но не распознаваемых объектов при оценке
пространственно-частотных характеристик тестового участка;
ОПЧХR – множество распознаваемых объектов, пригодных для оценки
пространственно-частотных характеристик (без определения их характеристик)
тестового участка;
ОПЧХH – множество объектов тестового участка, предназначенных для
обеспечения оценки пространственно-частотных характеристик, для которых
определяются обязательные характеристики.

ОКИХ ⊃ ОКИХ ∩ ОКИХ ∩ ОКИХ (3)

где ОКИХS – множество объектов для оценки координатно-измерительных
характеристик тестового участка, присутствующих на нем;
ОКИХO – множество обнаруживаемых, но не распознаваемых объектов для оценки
координатно-измерительных характеристик тестового участка;
ОКИХR – множество распознаваемых объектов для оценки координатно-
измерительных характеристик (без определения их характеристик) тестового
участка;
ОКИХH – множество объектов тестового участка для оценки координатно-
измерительныххарактеристик,длякоторыхопределяютсяобязательные
характеристики.

ОРХ ⊃ ОРХ ∩ ОРХ ∩ ОРХ (4)

где ОРХS – множество объектов для оценки радиометрических характеристик
тестового участка, присутствующих на нем;
ОРХO – множество обнаруживаемых, но не распознаваемых объектов для оценки
радиометрических характеристик тестового участка;
ОРХR – множество распознаваемых объектов для оценки радиометрических
характеристик (без определения их характеристик) тестового участка;
ОРХH – множество объектов тестового участка для оценки радиометрических
характеристик, для которых определяются обязательные характеристики.

ОЭ ⊃ ОЭ ∩ ОЭ ∩ ОЭ (5)

где ОЭS – множество объектов-эталонов дешифрирования тестового участка,
присутствующих на нем;
ОЭO – множество обнаруживаемых, но не распознаваемых объектов-эталонов
дешифрирования тестового участка;
ОЭR – множество распознаваемых объектов-эталонов дешифрирования (без
определения их характеристик) тестового участка;
ОЭH–множествообъектов-эталоновдешифрирования,длякоторых
определяются обязательные характеристики.
В рамках процедуры ранжирования по установленной экспертами шкале
качества опознавания тест-объектов ТУ, математическая модель которого
представлена выше, на основании сравнения абриса тест-объекта и его
изображения (например, в Google Earth) дается заключение о возможности его
использования или неиспользования в качестве тест-объекта как вообще, так и
применительно к конкретной съемочной системе.
Тестовый участок актуален, если все его ТО, обеспечивающие исследование
оценки измерительных и изобразительных показателей (при конкретной съемке
тестового участка), остаются пригодными для решения этих задач:

АТУ = {ОПЧХ = ОПЧХ } ∩ {ОКИХ = ОКИХ } ∩ {ОРХ = ОРХ } ∩ {ОЭ = ОЭ }(6)

где АТУ – актуальный тестовый участок.
Плотностьтестовых-объектовнатестовомучасткеопределяется
соотношением площади ТУ и количеством ТО, присутствующих на нем:
ТУ
ТУ =⁄ (7)
ТУ

где ТУ – плотности тестовых-объектов на тестовом участке (или снимке);
ТУ – площадь тестового участка (или снимка);
ТУ – количество тест-объектов присутствующих на тестовом участке.
Степень равномерности распределения пригодных для работы тест-объектов
по тестовому участку (снимку) определяется по алгоритму с использованием
специально созданной равномерной сетки, условно покрывающей ТУ (снимок).
Данный показатель вычисляется соотношением пустых ячеек сетки и ячеек, в
которые попадают тест-объекты.

0⁄
Р=1− (10)
где P ≤ 1 и N≥ L
Р – безразмерная величина степени равномерности распределения тест-
объектов;
N0 – количество пустых ячеек на тестовом участке (снимке);
N – количество ячеек (с тест-объектами) на тестовом участке (снимке);
L – количество тест-объектов.
На основе анализа показателей актуальности, опознавания, равномерности
и плотности тестовых объектов определяется возможность использования ТУ для
решения конкретной задачи.
Методоценки(сиспользованиемназемноготестовогоучастка)
изобразительного качества материалов космической съемки земной поверхности
в оптическом диапазоне электромагнитного спектра проводится по:
1) Пространственно-частотным показателям материалов космической
съемки:
– частотно-контрастная характеристика;
– пространственное разрешение;
2) Радиометрическим показателям материалов космической съемки:
– рaдиометричеcкое рaзрешение;
– эквивaлентное шуму прирaщение aльбедо и СКО приращения aльбедо;
3) Информативности материалов космической съемки:
– дешифрируемость;
– топографическая информативность.
Данный метод базируется на количественно-качественном подходе к оценке
изобразительных свойств цифровых изображений. Он включает формализованное
описание процедур оценки изображений по перечисленным выше показателям, а
также экспертную трактовку этих оценок, а также результатов гистограммного
анализа.
Третий раздел посвящена экспериментальной проверке базовых элементов
разработанной методики создания тестовых участков для оценки качества
материалов космической съемки. Выполнен комплекс исследований в части:
обоснования требований к расположению ТУ и к выбору на их территории
(в качестве опорных точек и ТО) природных и антропогенных объектов;
поддержания базы данных ТО тестовых участков в актуальном состоянии;
отработки методических аспектов определения координат ТО, выбранных
в рамках подготовительных работ;
отработки требований к типовой структуре и содержанию паспорта ТУ
и индивидуальных паспортов ТО;
отрaботки технологии обеcпечения решения задaч сборa, хрaнения,
отобрaжения,редактировaния,анализaдaнныхидр.ввидетиповой
геоинформaционной сиcтемы теcтового учacтка;
экспериментальной проверки возможностей применения предложенного
в рамках методики метода оценки изобразительных свойств материалов съемки
(и производной продукции на их основе) с КА «Канопус-В», БКА, «Ресурс-ДК»,
«Ресурс-П» № 1, №2 и №3, «Аист» и их зарубежных аналогов.
Так, в рамках экспериментальной отработки элементов разработанной
методики по созданию тестового участка для комплексной оценки качества
материалов космической съемки были выбраны (в рамках камеральных и полевых
работ) тест-объекты и структурированы в каталоге геоинформационной среды
ArcGis, который включает в себя информацию по тест-объектам (природного и
антропогенногопроисхождения)дляоценкипространственно-частотных,
координатно-измерительных и радиометрических характеристик съемочной
аппаратуры.
По предложенному в методике алгоритму оценки работоспособности
тестовых участков был проведен анализ степени пригодности Самарского
координатно-тестового участка СВПН для оценки координатно-измерительных
характеристик данных космической съемки, получаемых с КА «Канопус-В»,
КА «Ресурс-П» и ожидаемых с перспективного КА «Ресурс-ПМ». Результаты
экспериментального исследования показали, что при достаточном количестве
хороших опорных точек на данном ТУ их плотность, приходящаяся на снимок,
полученный той или иной съемочной системой, не одинакова, а следовательно, не
одинаково могут распределяться такие опорные точки по площади конкретного
снимка.
В используемом методе оценки информационных, изобразительных и
передаточных свойств материалов ДЗЗ, одним из базовых критериев является
частотно-контрастная характеристика. Его применение в совокупности с группой
статистическихпоказателейпозволяет(этоподтвержденорезультатами
экспериментальной проверки) быстро и с определенной долей объективности
делать выводы об изобразительном качестве космических снимков, а также о
возможностях применения этих снимков для решения ряда конкретных
прикладных задач.
В рамках экспериментальных исследований, на основе выбранных тест-
объектов Московского координатно-тестового участка СВПН и соответствующих
показателей изобразительного качества материалов космической съемки, была
проведена оценка материалов космической съемки, полученных с КА «Ресурс-П».
Результаты данного анализа показали, что в среднем, с учетом поправок за угол
отклонения линии визирования от надира, величина линейного разрешения на
местности составила 0,99 м. Величина линейного разрешения на местности
изображений, обработанных до уровня 2А, изменяется незначительно. Линейное
разрешение на местности изображений, полученных целевой аппаратурой Геотон-
Л1 в спектральных каналах, позволяет использовать их в качестве справочных
данных при картографировании в масштабе 1:50 000. А панхроматические
изображения, полученные целевой аппаратурой ШМСА-ВР в панхроматическом
канале, целесообразно использовать в качестве дополнительной информации при
анализе больших площадных объектов.
Обобщениерезультатовгистограммногоистатистическогоанализа
изобразительного качества и информационных возможностей контрольной
выборки характерных фрагментов тест-объектов панхроматических изображений
Московского координатно-тестового участка СВПН, полученных съёмочной
системой«Геотон-Л1»КА«Ресурс-П»№1,КА«Ресурс-П»№2
и КА «Ресурс-П» №3, дали возможность сделать следующее заключение.
Геометрическая коррекция не повлияла ни на изобразительное качество, ни
наинформационныевозможностиуказанныхисследуемыхматериалов
космической съемки. После трансформирования изображений в картографическую
проекцию и их ортокоррекцию статистические показатели также остаются
практически неизменными.Исследуемые материалы космической съемки
получены при правильно подобранных параметрах экспозиции и оптимальных
условиях съёмки по освещённости и обладают хорошей информативностью, а
также высокими показателями контраста и модуляции, что свидетельствует об их
хороших передаточных свойствах. Мaтериалы тaкой cъемки могут эффективно
использовaтьcя для дешифрировaния объектов топогрaфического типa.
Итак,результатыэкспериментальнойпроверкибазовыхэлементов
разработанной методики создания тестовых участков для оценки качества
материалов космической съемки показывают, что методика позволяет достаточно
полно оценить (на базе тестовых участков) информационные возможности
конкретной съемочной аппаратуры и получаемых с ее помощью материалов
космической съемки при решении конкретной тематической задачи. Это очень
важно уметь делать в процессе летных испытаний и штатной эксплуатации КА ДЗЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным итогом выполненных в ходе диссертационной работы научных
исследований является разработка и апробация методики создания тестовых
участков на основе тест-объектов природного и антропогенного происхождения
для оценки качества материалов космической съемки.
Врамкахвыполненныхдиссертационныхисследованийполучены
следующие результаты:
1. Разработана комплексная методика создания тестовых участков на основе
тест-объектов природного и антропогенного происхождения для оценки качества
материаловкосмическойсъемки,котораяпозволяетнаединойоснове
систематизировать и оптимизировать информацию о подстилающей поверхности,
необходимую для оценки качества материалов космической съемки.
2. Разработан метод формирования каталога тестовых объектов для оценки
качества материалов космической съемки.
3. Разработан метод оценки работоспособности тестового участка.
4. Разработанынаучнообоснованныепредложенияпооценке
изобразительного качества материалов космической съемки земной поверхности в
оптического диапазоне с использованием каталога тест-объектов тестового
участка.
Ряд процедур разработанной методики, включая предложенный метод
оценкиизобразительногокачестваматериаловкосмическойсъемки,
автоматизированы и экспериментально апробированы авторской программой,
разработанной в среде VisualStudio.
Данная программа использует:
1. Базу данных:
технических характеристик КА ДЗЗ, распределенных по ранжированным в
процессе диссертационных исследований группам задач ДЗЗ;
образцов космических снимков с КА ДЗЗ;
тестовых участков, включающих в себя информацию по тест-объектам
(природного и антропогенного происхождения), полученную в процессе
камеральных и полевых работ в ходе диссертационных исследований.
2. Процедуру оценки работоспособности тестового участка для конкретного
КА.
3. Процедуру оценки изобразительного качества исследуемого космического
снимка на основе тест-объектов природного и антропогенного происхождения из
базы данных тестового участка.
Результаты исследования внедрены в опытно-конструкторских работах по
созданию, модернизации и развитию системы валидационных подспутниковых
наблюдений. Они апробированы в части сети тестовых учacтков для контроля
координатно-измерительных характериcтик материалов наблюдения.
Результaты дисcертaционных иccледовaний использовaны при рaзработке
национального стандарта Российской Федерации ГОСТ 59756-2021 «Дaнные
диcтанционного зондировaния Земли из коcмосa. Качеcтво данных ДЗЗ из космоca.
Оcновные требовaния к нaземным теcтовым учacткам для оценки качеcтва данных
ДЗЗ из коcмосa, получaемых с космичеcких aппаратов оптико-электронного
нaблюдения в видимом и ближнем инфракрacном диaпазоне» – 2021 г. Утвержден
и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому
регулированию и метрологии от 19 ноября 2021 г. № 1511-ст. Введен впервые.
Применение предложенной в методике нa оcнове cети теcтовых учаcтков
сиcтемы покaзателей и методов их определения (и реализовaнной в разработaнной
aвтором прогрaмме) позволяет обеcпечить единcтво подходa к оценке кaчества
материaлов коcмичеcкой съёмки, a тaкже повыcить cтепень объективноcти
и оперaтивности оценки качеcтвa мaтериaлов ДЗЗ в процеccе ЛКИ КА и их штaтной
эксплуатaции.
В дальнейшем необходимо совершенствовать и наращивать возможности
тестовых участков на единой методической базе в различных климатических зонах.
Идеальной съемочной системы нет. Но при наличии актуальной, достоверной и
полноценной исходной информации, такой как: накопленные на тестовых участках
или измеренные с высокой точностью (в том числе с использованием систем
точного позиционирования) в процессе полевых работ наземные координаты
опорных точек и эталонных тестовых объектов природного и антропогенного
происхождения, цифровые векторные и растровые карты, ЦМР и ЦММ и др. можно
преодолеть недостатки съемочной системы и создавать высококачественную
геопривязанную информационную продукцию на базе материалов ДЗЗ. Задача
развития информационной базы опорных данных – останется актуальной и впредь.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ
ДИССЕРТАЦИИ