Литература

Лазерная локация земли и леса

8.4. Методы классификации и основные технические характеристики современных цифровых аэрофотоаппаратов

Говоря о современных цифровых топографических аэрофотоаппаратах можно предложить базовый набор критериев оценки их производительности и качества (табл. 38).

Таблица 38. Набор пользовательских критериев оценки производительности и качества современных цифровых аэрофотоаппаратов
Фотографическое качество динамический диапазон, интенсивность шумов, качество цветопередачи
Фотограмметрическое качество стабильность параметров внутреннего ориентирования, достижимая точность выполнения фототриангуляции
Производительность по количеству информации – в мегабайтах/ cек; по площади картографируемой территории – в км2/час
Технологичность возможность адаптации традиционных технологических процессов, наличие квалифицированного персонала

Приведенный список является далеко неполным, а сами критерии достаточно условными и требующими дополнительных комментариев. Однако они, в целом, верно отражают «пользовательский» подход к оценке качества предлагаемый средств цифровой аэрофотосъемки и целесообразности их использования взамен традиционных аналоговых средств.

Опять же, опираясь на «пользовательский» подход можно предложить следующие критерии сравнения цифровых топографических аэрофотоаппаратов друг с другом:

  1. Стоимость покупки и эксплуатационные расходы.
  2. Способ формирования кадра.
  3. Общие и частные фотографические и фотограмметрические свойства.
  4. Весогабаритные  характеристики.

Пользуясь этими критериями, ниже будут обсуждаться цифровые аэрофотоаппараты, коммерчески доступные сегодня.

Нельзя не отметить, что в основном все имеющиеся сегодня (особенно широкоформатные) цифровые аэрофотоаппараты характеризуются некоторым набором общих свойств, а именно:

  1. Использование CCD (ПЗС в русской транскрипции) приемников излучения, матричного или линейного типа.   
  2. Синтезированный кадр (для широкоформатных аэрофотоаппаратов). Т.е. результирующий кадр системы формируется из набора субкадров, соответствующих отдельным CCD матрицам (линейкам) приемников.     
  3. GPS/INS поддержка. Т.е. пространственные линейные и угловые координаты системы координат аэрофотоаппарата (элементы внешнего ориентирования) определяются с использованием средств инерциальной навигации и систем спутникового геопозиционирования GPS и (или) ГЛОНАСС.   
  4. Широкий динамический диапазон 12–14 бит. 
  5. Наличие компенсации сдвига изображения в течение времени экспозиции («смаз»). Для обозначения этого свойства в англоязычной литературе укрепился термин FMC – Forward Motion Compensation. 
  6. Использование гиростабилизации для подержания планового положения аппарата в процессе съемки.

Вместе с тем современные цифровые аэрофотоаппараты различаются по целому ряду параметров. Укажем главные:

  1. Геометрия приемника – матрица CCD или  линейка CCD.  
  2. Метод синтеза кадра. 
  3. Способ компенсации «смаза» – механический или электронный.

Первые два указанных различия носят концептуальный характер и в значительной степени определят «идеологию» как самих аэрофотоаппаратов, так и методик их использования.

В таблице 39 представлен один из возможных подходов к классификации цифровых аэрофотоаппаратов, когда в качестве основного критерия используется размер выходного кадра (аэрофотоснимка):

Таблица 39. Классификация цифровых аэрофотоаппаратов по размеру результирующего кадра
Класс аэрофотоаппаратовРазмер результирующего кадра в мегапикселях
Малоформатные до 16
Среднеформатные 16–64
Широкоформатные более 64

Отметим, что такой метод классификации является весьма условным и не отражающим существа дела. Мы приводим его исключительно из-за того, что он, несмотря на свою ограниченность, является весьма распространенным. Кроме этого, данный метод классификации пригоден только по отношению к кадровым системам. Однако по традиции линейные фотографические сканеры (Leica ADS-40, Jena-Optronik JAS-150) принято относить к широкоформатным аэрофотоаппаратам.

Малоформатные камеры активно использовались для аэросъемочных целей до конца 90-х годов прошлого столетия. Сейчас их роль весьма ограничена. Некоторые примеры аппаратов этого класса приведены на рисунке 128.

pic_128.jpg
Рисунок 128. Малоформатные цифровые камеры

Среднеформатные цифровые метрические камеры сегодня являются основным инструментом получения цифровых геопространственных данных с авиационных носителей. Точная статистика отсутствует, но можно с уверенностью сказать, что сегодня в мире используются сотни таких камер. Главным доводом в пользу камер этого типа является их «умеренная» ценовая ниша, компактность, малое энергопотребление и, как следствие, возможность быстрой адаптации к существующим носителям. Такие камеры управляются с использованием обычных персональных компьютеров, которые часто используются и как средства накопления аэрофотоснимков (рис. 129).

pic_129.jpg
Рисунок 129. Среднеформатные цифровые топографические камеры

Отметим главные технологические ограничения среднеформатных цифровых фотоаппаратов, в смысле их аэрофотосъемочного использования:

  1. Используется только один матричный CCD приемник, что ограничивает размер результирующего кадра. С января 2006 г. фотоаппараты компании Rollei будут поставляться с приемниками, обеспечивающими получение кадра размером 39 мегапикселей и минимальным интервалом фотографирования около 2 с. На сегодняшний день это самый лучший показатель.      
  2. Режим компенсации сдвига изображения в среднеформатных камерах не используется, что накладывает определенные ограничения при выборе условий проведения аэрофотосъемочных работ (высоты, скорости, длительности экспозиции).

На рисунке 130 представлены модели цифровых широкоформатных аэрофотоаппаратов, а в таблице 40 показаны их основные характеристики.

pic_130.jpg
Рисунок 130. Крупноформатные цифровые топографические камеры

Таблица 40. Основные параметры крупноформатных камер
Параметр DMC, Intergraph DSW 700, Leica DiMAC SYSTEMS
Тип кадровыйЛинейный и кадровый кадровый (модульный)
Размер кадра, пикселей 7680 x 13824 4000 x 2700 от 4080 x 5440 до 8080x10800 в зависимости от количества модулей
Фокусное расстояние, мм 120/25 80/120 на заказ
Минимальный интервал съемки, секунд от 2.1 от 1.2 мкс на линию сканирования 2
Компенсация «смаза» есть есть есть, пьезомеханическая
Сенсор CCD матрицы CCD линейки CCD матрица в каждом модуле

На рисунке 131 показан внешний вид сенсорного блока, а в таблице 41 основные технические характеристики аэрофотоаппарата UltraCAM X австрийской компании Vexcel Imaging, являющейся на сегодняшний день самой производительной крупноформатной камерой в своем классе.

pic_131.jpg
Рисунок 131.Цифровая аэрофототопографическая камера UltraCAM X компании Vexcel Imaging

Таблица 41. Основные технические характеристики цифровой топографической аэрофотокамеры UltraCAM X
Описание выходных изображений
Формат изображения Аналог пленочного формата of 23 x 15 см
Выходные форматы изображений JPEG; TIFF 8, 12 или 16 bit, scan-line, stripped or tiled
Форматы изображений после уровня 2 Панхроматические снимки полного разрешения, раздельные снимки по цветовым каналам
Форматы изображений после уровня 3 Спектрозональные, цветные и/или панхроматические снимки полного разрешения
Технические характеристики сенсорного блока камеры
Размер панхроматического изображения 14430 x 9420 пикселей
Размер элемента изображения 7.2 мкм
Физический размер матрицы 104 x 68 мм
Фокусное расстояние для панхроматического канала 100 мм
Максимальная диафрагма панхроматического канала f = 1/5.6
Угол обзора поперек полета (вдоль полета) 55°(37°)
Количество цветовых каналов (спектрозональная съемка) 4 канала – RGB&NIR
Размер спектрозонального изображения 4992 x 3328 пикселей
Диапазон выдержек от 1/500 до 1/32
Копменсация продольного смаза изображения (FMC) есть, TDI controlled
Маскимальная величина компенсации смаза 50 пикселей
Размер пиксела на земле при высоте полета 500 м (300 м) 3.6 см (2.2 см)
Минимальный интервал съемки 1.35 секунд
Разрядность АЦП< 14 бит
Динамический диапазон чувствительности >12 бит
Габаритный размер сенсорного блока камеры, см 45 x 45 x 60
Вес < 45 кг
Максимальное электропотребление 150 Вт
Технические характеристики бортового блока накопления и обработки снимков (SCU)
Емкость накопителей > 17 Терабайт с возможностью замены в полете
Максимальная емкость в изображениях одного накопителя > 3900 снимков
Конфигурация блока Многопроцессорная параллельная архитектура
Избыточность хранения информации Дублирование изображений на двух дисках
Возможность переноса и обработки данных на земле Транспортабелен, приспособлен для обработки данных в офисе
Габаритный размер блока, см 40 x 55 x 65
Вес ~ 65 кг
Максимальное электропотребление 700 Вт
Прочие характеристики
Максимальное время съемки (70% перекрытие, разрешение 20 см – масштаб съемки 1:10000)

> 8.5 часов при использовании одного накопителя
Перенос данных с борта в офис С помощью специального накопителя или перенос бортового блока
Установка камеры на борту С помощью переходных колец на многие известные установки (исключая Z/I T-AS)
Поддержка планирования полета Совместим с большинством коммерческих систем (CCNS-4, Trackair, Vega и др.)
Поддержка систем IMU Совместима с IGI's Aero-Control и Applanix' POS/AV
Совместимость с фотограмметрическими продуктами Совместим со всеми фотограмметрическими системами
Внутренняя точность изображения < 2 мкм

Интегральный формат цифрового кадра UltraCAM X составляет    14430 x 9420, т.е. – 136 мегапикселей. При этом с интервалом фотографирования 1.35 сек. обеспечивается  выдача полноформатных цветных  или даже спектрозональных аэрофотоснимков. Признавая, что производительность не единственный технический параметр аэрофотоаппарата, все же заметим, что он один из самых важных, в том числе и с экономической точки зрения. В этой связи нельзя не отметить, что на сегодняшний день UltraCAM X австрийской компании Vexcel Imaging – самая производительная цифровая аэрофотокамера в мире, существенно превосходящая своих главных конкурентов – DMC компании Intergraph и ADS-40 компании  Leica Geosystem, а также и все другие камеры.

С появлением камер такого класса вполне уместно ставить вопрос о сравнении разрешающей способности и суммарной информационной емкости цифровых и аналоговых широкоформатных аэрофотоаппаратов.

Для этой цели проведем следующие вычисления. Возьмем стандартный аналоговый аэрофотоснимок в форме негатива размером 180 x 180 мм. Подвергнем его оцифровке в фотограмметрическом сканере с принятым в России шагом 20 микрон. Могут использоваться различные модели фотограмметрических сканеров. Количество информации на один оцифрованный аэрофотоснимок составит:

formula_91.png

т.е. – 81 мегапиксель. Сравнивая полученное значение с форматом кадра UltraCAM X, который, как указано выше, составляет 136 мегапикселей, убеждаемся, что UltraCAM X в практическом смысле обеспечивает большее количество информации на один кадр. Конечно, лучшие аналоговые аэрофотоаппараты обладают разрешением, позволяющим проводить оцифровку с шагом 10 и даже 5 мкм. Поэтому цифровым аэрофотоаппаратам пока «далеко» до теоретического предела информативности. Тем не менее, такие рассуждения показывают, что по такому важному параметру как информативность, цифровые топографические камеры сравнимы с лучшими аналоговыми, а по всем другим пользовательским параметрам их превосходят.

Обратимся к таблице 42, представляющую динамику продаж широкоформатных цифровых аэрофотоаппаратов с момента их появления.

Таблица 42. Динамика продаж «тяжелых» аэрофотосъемочных камер Leica ADS-40, Intergraph DMC, Vexcel UltraCAM D(X) по данным на май 2006 г. (По материалам конгресса ASPRS в Рино, США, 2006)
Год продажи Leica Intergraph Vexcel HRSC/TLS Всего продано за год Накопление по годам
2000 Объявлено Объявлено 0 0
2001 1 1 1
2002 5 5 6
2003 7 3 Объявлено 10 16
2004 10 11 13 34 50
2005 9 16 22 2 49 99
2006 8 7 12 27 126
Итого 40 37 47 2 126  

В таблице 42 представлены данные, в том числе и по двум главным конкурирующим продуктам DMC компании Intergraph и ADS-40 компании Leica Geosystems. В настоящее время компания Vexcel поставила уже более 50 цифровых аэрофотокамер. Начиная с 2006 года, две такие камеры используются в странах бывшего СССР. С 2002 г. в России используются два линейных фотографических сканера ADS-40.

Очевидно, однако, что Vexel, благодаря четко выверенной маркетинговой стратегии занял лидирующую позицию в деле производства и поставки цифровой аэрофотосъемочной техники. Сегодня есть все основания считать, что давно предсказуемый перелом в пользу цифровых аэрофотосъемочных средств произошел и, в значительной степени, благода-ря активной деятельности в этой сфере российских компаний Геокосмос и ГеоЛИДАР (рис. 132).

pic_132.jpg
Рисунок 132. Генеральный директор компании Геолидар Е.М. Медведев (в центре) с президентом и основателем компании Vexcel Imaging профессором Францем Леберлом и его супругой Гертрудой

Перед тем как продолжить обсуждение, представим еще один возможный способ классификации цифровых (в том числе широкоформатных) аэрофотоаппаратов, исходя из принципов формирования результирующего изображения. Как было сказано выше, такой подход представляется существенно более конструктивным. Ключевую роль при таком методе классификации играет архитектура приемника. Итак, по способу формирования изображения, цифровые топографические фотоаппараты бывают:

  1. с одиночным матричным приемником (matrix); 
  2. с композитным приемником, состоящим из нескольких физических матричных приемников; 
  3. с приемником в виде одного или нескольких CCD приемников линейного типа. Приемники такого типа называют также линейками или гребенками.

Главное, что в отличие от матрицы, такие приемники имеют одномерную структуру. Важное замечание – первые два типа приборов, как уже отмечалось выше, могут быть названы кадровыми, так как формируют традиционный аэрофотоснимок квадратной или прямоугольной формы. Приборы третьего типа кадровыми не являются. Они формируют непрерывные последовательности данных, которым больше подходит название «полоса». Множество примеров аэросъемочных данных такого рода можно найти на сайте компании Leica Geosystem: www.leica-geosystems.com

В таблице 43 представлено распределение наиболее известных цифровых топографических аэрофотоаппаратов в соответствии с предложенной классификацией.

Таблица 43. Классификация наиболее известных цифровых аэрофотоаппаратов по способу формирования изображения
Способ формирования изображения Аэрофотоаппараты (производитель)
Одиночный матричный приемник  AIC modular LS (Rollei) DSS (Applanix) DigiCAM (IGI)
Композитный матричный приемник UltraCAM-D, UltraCAM-X (Vexcel Imaging) DiMAC (DiMAC systems) DMS (Intergraph)
Линейка ADS-40 и DSW700 (Leica Geosystem) JAS-150 (Optronik)