Войти на сайт
МЕЖДУНАРОДНЫЕ ЕЖЕГОДНЫЕ КОНФЕРЕНЦИИ
"СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО
ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА"
(Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, природных и антропогенных объектов)

Восемнадцатая Всероссийская Открытая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)»

XVIII.A.177

Реализация сверхразрешения на космическом изображении на основе восстановления цифровой модели рельефа зондируемого ареала

Винтаев В.Н. (1), Жиленев М.Ю. (2), Ушакова Н.Н. (1)
(1) Белгородский университет кооперации, экономики и права, Белгород, Россия
(2) АО «Корпорация «ВНИИЭМ»», Москва, Россия
На сформированном постфактум космическом изображении высокого разрешения осуществляется выполнение коррекции резкости и поддерживаемого пространственного разрешения, а также реализуется технология сверхвысокого разрешения с использованием модели рассеяния светового потока на цифровой модели рельефа зондируемого ареала без привлечения физически реализуемых дополнительных каналов дистанционного зондирования (Винтаев, Ушакова, 2018).
Применяются методы: возмущений в конечных разностях в расчете рассеяния падающего светового потока на цифровую модель рельефа, восстановленную по теням на исходном изображении с формированием в масштабируемых длинах волн изображений в зоне Фраунгофера с использованием индустриального модуля миграции поля для сейсморазведки, модернизированного под условия космического зондирования ареала.
Улучшение и восстановление потерянной максимально достижимой для сверхразрешения резкости (Макриденко и др., 2017) на сформированном космическом изображении в работе осуществляется как уменьшением апертур пикселов на паттерне, так и операторами деконволюции изображения (Свиридов, Тюлин, Волков, 2019; Тюлин, Свиридов, 2020; Винтаев, Ушакова, 2018). Технология сверхвысокого разрешения при итоговом формировании космического изображения заимствована из широко опубликованной технологии для спутника Spot-5 и построена на решении для итоговых пикселов систем линейных уравнений с матрицей, рождающейся парциальным наложением сдвинутых субпиксельно нескольких изображений заведомо худшего разрешения.
Использование цифровой модели рельефа (ЦМР) исследуемого ареала, восстановленной по теням на его космическом изображении высокого разрешения в модели рассеяния зондирующего излучения, падающего на ареал с углами, определенными также по теням на том же предъявленном космическом изображении (или по углам места Солнца, отмеченным в паспорте сформированного снимка), позволяет представить исходное изображение с увеличенной резкостью и, соответственно, поддерживаемым разрешением без привлечения дополнительных материалов орбитальных съемок. Для этого осуществляется формирование и выбор пикселов из результата функционирования модели рассеяния, идентичных пикселам исходного изображения по апертурам, но сдвинутых относительно каждого пиксела на исходном изображении по горизонтали и вертикали на половину или долю их апертуры, что соответствует организации классической схемы реализации сверхвысокого разрешения. При этом, варьируя в малых интервалах углы падения зондирующего излучения на ЦМР ареала и изменяя степень дискретизации в ЦМР и в задаче рассеяния, в целом, удается получить дополнительные пикселы с оптимальной для реализации сверхвысокого разрешения апертурой и необходимым субпиксельным сдвигом без привлечения физически реальных каналов зондирования ареала.
Основные результаты: радиусы пространственно-частотных спектров результатов использования модели рассеяния света на цифровой модели рельефа в коррекциях резкости демонстрируют ее увеличение не менее, чем в 1,6 раз, что соответствует аналогичным коррекциям на физически реализованных дополнительных каналах зондирования.
Выводы:
1. Использование модели рассеяния на цифровой модели рельефа ареала при индустриальном применении в коррекции резкости сулит эффект экономии в сотни миллионов рублей из-за отказа от запусков дополнительных космических аппаратов.
2. Для измерения поддерживаемого изображением разрешения (в том числе и резкости) часто предлагается использование апертуры пиксела на изображении или его проекции на зондируемую поверхность или периода дискретизации в системе формирования изображения (что, собственно одно и то же). Одновременно, в ряде работ (Тюлин, Свиридов, 2020; Винтаев, Ушакова, 2018) показано, что описываемая связь апертур пикселов и полученного разрешения при этом более сложная: уменьшение апертур пикселов изображения может не соответствовать увеличению разрешения как это ожидалось при проектировании орбитальной системы.
3. Выполненное моделирование на материалах с аппаратов Ikonos, OrbView, QuickBird, Ресурс ДК, показало прагматическую ценность теоремы Д.В. Агеева (1957 год) и Л.М. Финка (1984 год) о том, что у произвольной функции с финитным спектром можно найти участки ограниченной длительности, на которых она может меняться сколь угодно быстро вопреки к неоднозначному отношению к теореме специалистов, но в литературе нет сведений о связи спектра изображений с верхней модой, определяющей это «сколь угодно быстро» для возможного применения теоремы Котельникова о дискретизации самого изображения.
Недостатки метода:
1. После синтеза изображения по модели ЦМР необходимо кроме фильтрации порождаемого шума, коррекции контраста и резкости выполнить процедуры фотограмметрической обработки одиночного снимка повторно, согласовываясь с опорными точками исходного предъявленного изображения.
2.Реально достигаемое разрешение при этом ищется из решения задачи оптимальной фильтрации при заданном (позволительном) пороге среднеквадратичного остаточного шума, который в модели рассеяния на ЦМР в области высших мод пространственно-частотных спектров изображений может принимать значения, сравнимые с амплитудой регулярных составляющих.
3. При использовании модели рассеяния излучения в коррекции резкости увеличение значения резкости вызывает увеличение среднеквадратичного шума на итоговом изображении.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) в рамках научного проекта № 19-07-00697 «Разработка основ системного анализа и моделирования коррекции резкости космических изображений сверхвысокого разрешения на базе модернизации теоретико-типовых математических и семантических подходов для прогноза и реализации максимально возможных характеристик по пространственному разрешению» и научного проекта № 18-07-00201 «Разработка фундаментальных основ мягкого системного анализа и моделирования систем формирования и верификации космических изображений высокого и сверхвысокого разрешения по данным с группировок орбитальных аппаратов в неопределенных и предельно допустимых условиях орбитальных съемок».

Ключевые слова: сверхвысокое разрешение, космическое изображение, модель рассеяния света, цифровая модель рельефа
Литература:
  1. Винтаев В.Н., Ушакова Н.Н. Нетривиальная коррекция космических изображений высокого разрешения. Саарбрюккен, Германия: Lambert Academic Publishing, 2018. 208 с.
  2. Макриденко Л. А., Волков С. Н., Геча В. Я., Жиленёв М. Ю., Казанцев С. Г. Основные источники снижения качества изображений земли, получаемых при орбитальной оптической съёмке с борта МКА//Вопросы электромеханики. Труды ВНИИЭМ. 2017. Т. 160. С. 3-19.
  3. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е., Волков С.А. Реальное инструментальное разрешение на местности зарубежных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли сверхвысокого разрешения // Информация и космос, 2019. № 1.С. 150-159.
  4. Тюлин А.Е., Свиридов К.Н. Информационные и финансовые потери несовершенного проектирования оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Информация и космос, 2020. № 1. С. 152-160.

Презентация доклада

Методы и алгоритмы обработки спутниковых данных

15