Анализ проблем методической совместимости результатов оптико-электронной съемки с требованиями по разрешению спутникового снимка

При разработке технических заданий (ТЗ) на космические аппараты и средства обработки данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) традиционно используют метрики: сигнал/шум (С/Ш), пространственное разрешение (GSD), линейное разрешение на местности (ЛРМ). ЛРМ определяется через пространственную частоту, фокус и дальность [1]. Однако такой подход не вполне обеспечивает достоверное определение характеристик снимка, полученного с КА. В формулах, которые используются для расчета ЛРМ, содержатся величины, при определении которых возникают методические ошибки, которые, в свою очередь, оказывают существенное влияние на итоговый результат. В частности, в определении значения дальности (влияние космической рефракции и др.), частоты среза функции передачи модуляции (ФПМ) с учётом выбора пороговой функции и т.д. [1,5]. В итоге оценка значения ЛРМ сводит сложный профиль формирования спутникового изображения к единственному числу, внося заметную суммарную методическую погрешность в оценку и отражая качества снимка с высокой неопределенностью.
Эти недостатки становятся особенно критичными в случае некомплектности описания спутникового изображения и порождаемой этим неопределенности. В качестве дополнения предлагается использовать комплексный относительный индекс качества (RQI – Relative Quality Index) [2], который применяется для сравнения космических систем ДЗЗ и может применяться для сопоставления качества спутниковых снимков. Он показывает, что отсутствие или некорректное определение входных параметров, особенно ФПМ и GSD (геометрического разрешения), которые напрямую искажают значение RQI при этом лишь косвенно влияют на оценку ЛРМ, что может привести к ложному выводу о том, что система хуже требуемой. Полученные изображения, однако, могут вполне соответствовать решению целевой задачи. Кроме того, все составляющие для данного индекса могут быть получены по измерениям самого снимка и сопоставлены с ТЗ. Это подчеркивает необходимость перехода от упрощённых скалярных метрик к более полным, физически обоснованным и стандартизованным характеристикам, в том числе, при формировании требований ТЗ на КА ДЗЗ и комплекс программно-технических средств (КПТС) обработки результатов съемки с него и формирования снимков различных стандартных уровней обработки.
Кроме того, к спутниковым снимкам пользователями широко применяются субъективные визуальные оценки растрового изображения, которое формируется на экранах различного оборудования [1,3,4]. Достоверность таких оценок ещё более ограничена влиянием как КПТС, так и — индивидуальных особенностей зрения человека (ФПМ глаза, особенности зрения, психофизиологическое состояние). В частности, значительно проявляется влияние аппаратных свойств дисплея (яркостный контраст, шумы, муар, гамма-коррекция) и психофизических эффектов (эффекты Мак-Адама, Гельмгольца – Кольрауша, Хейдингера и несколько других [3, 4]).
Все вышеперечисленное приводит к значительной дисперсии результатов и ставит под сомнение надёжность подобных оценок. Это хорошо проявляется при сопоставлении с оценками, полученными, например, с использованием метода “резкого” края (knife edge method).
Практическим подтверждением послужил, в частности, опыт визуального формирования обучающей выборки резких краев для обучения нейронной сети. В выводе нейросети до 70% -80% решений оказались ложноположительными – так как при анализе ФРК найденных нейросетью на снимке резких краев, и проведении дальнейших расчётов по этой функции, возникает значительное отклонение от теоретической ФПМ, полученной посредством функции Ферми и влияющее на определяемый по изображению контраст и ЛРМ снимка. Это показывает недостаточность субъективных подходов и необходимость перехода к объективным комплексным численным метрикам.
В связи с изложенным предлагается совместно с визуальными оценками, субъективными, даже при большом количестве дешифровщиков, производить оценки программно-аппаратными средствами с использованием предложенного индекса качества. Также можно предложить включать в ТЗ:
a) площадь под полным профилем MTF до частоты Найквиста;
b) минимальные значения С/Ш для ключевых спектральных каналов;
c) ширина функции рассеивания линии (ФРЛ), измеренная на уровне FWHM (полная ширина на половине высоты ФРЛ);
d) методики измерений и условия калибровки;
e) условия визуальных и программно-аппаратных оценок качества изображения.
Такой комплексный набор требований лучше обеспечит строгость, достоверность, воспроизводимость и пригодность результатов оценок, в том числе, для автоматизированных систем анализа данных ДЗЗ [5].