Модель объекта наблюдения в задачах планирования применения систем ДЗЗ

В современной литературе практически не исследованы вопросы эффективного описания исходных данных для задания объектов наблюдения в задачах планирования съемки систем ДЗЗ. Обычно для этих целей используются стандартные функциональные возможности ГИС приложений, которые позволяют представить объект стандартными векторными моделями и рассчитать для них основные пространственные характеристики.
В данной работе рассмотрены варианты решения задачи описания объектов наблюдения для современных режимов съемки с учетом их протяженности и произвольной ориентации относительно подспутниковой трассы.
Для описания объектов наблюдения предлагается использовать набор статических и динамических параметров. Статические параметры не изменяются в процессе планирования съемки. К ним относятся:
- наименование, класс, идентификатор в базе данных объектов;
- координаты центра объекта (x_m,y_m ) и среднее превышение над поверхностью земного эллипсоида (h_m );
- векторные данные в виде набора координат граничного полигона района наблюдения
R={(x_i,y_i)},
где i∈[0,N-1], N-количество вершин полигона;
- цифровая модель рельефа в пределах граничного полигона.
К динамическим параметрам относят:
- векторный слой текущего покрытия съемкой (полигоны с идентификатором объекта);
- приоритет объекта;
- параметры съемки для объекта (режим работы съемочной аппаратуры, разрешение, угол обзора);
- уровень облачности и освещенности для систем оптического диапазона;
- предельные частотные параметры отраженных сигналов для РСА.
Параметры объектов хранятся в формате, удобном для программного обеспечения планирования. Это могут быть одиночные векторные слои, как правило, полигональные, либо таблицы геореляционной БД с атрибутивными полями.
Исходное координатное описание может выполняться:
- в географических координатах (широта, долгота);
- в прямоугольных координатах глобальной СК (например, WEB-Меркатор и аналогичные);
- в прямоугольных координатах зональной СК (Гаусса-Крюгера, UTM).
Можно выделить основные правила задания геометрического описания для полигонального слоя объектов:
- однопартийность (полигон не должен быть сложным и должен состоять только из одного пространственного объекта), соответственно, в нем должны отсутствовать части с оцифровкой в обратном направлении (отверстия);
- полигон должен быть топологически правильным, его границы не должны пересекаться;
- полигон должен иметь упрощенные границы и быть выпуклым.
Последнее требование позволяет сократить вычисления и получить более предсказуемые результаты при планировании. Для предварительной обработки данных, упрощения полигонов и уменьшения количества точек границ можно использовать стандартные функции программного обеспечения Геоинформационных систем (ПО ГИС) для генерализации. Например, алгоритм Дугласа-Пекера (David Douglas & Thomas Peucker) [1] для упрощения границ, алгоритм Грэхема (Graham)[2] для создания выпуклых оболочек многоугольников. В качестве параметра сглаживания - расстояния, на котором будут удалены и прорежены вершины, можно использовать мгновенный минимальный размер полосы захвата съемочной аппаратуры.
При вычислениях ограничивающей рамки важное значение имеет вопрос о картографической проекции, которая выбирается из следующих взаимно противоречивых требований:
- равноугольность и конформность отображения,
- минимальные искажения площадей и длин,
- возможность работы на больших территориях.
Применение зональных проекций, как наиболее оптимальных для достижения указанных целей не всегда возможно из-за протяженных объектов съемки, а также при планировании съемки на значительных по площади территориях, либо на всей поверхности земного эллипсоида.
В качестве исходной для хранения координат объектов в системе планирования предлагается проекция WEB-Меркатора для неискаженного отображения полигонов и сокращения расчетов.
Для расчетов границ объектов и для уменьшения искажений рекомендуется использовать косую цилиндрическую проекцию Меркатора, в которой параметры проекции задаются центром системы координат каждого объекта и его азимутом относительно меридиана.
Косая цилиндрическая проекция позволяет сохранить масштаб вдоль главного направления объекта, что важно для расчетов граничных рамок и дальнейшего проектирования маршрутов при формировании полного покрытия площади. Кроме того, в отличие от зональных проекций, косая проекция позволяет избежать переходов между зонами для протяженных с запада на восток объектов и упростить вычисления за счет исключения операции подбора зоны.
В случае, когда космический аппарат в момент съёмки может совершать вращение относительно центра масс только по углу крена используется частный вариант косой цилиндрической проекции широко известный как “Космическая косая проекция Меркатора”, предложенный Джоном П. Снайдером (John Parr Snyder ) [3] и применяемая для планирования съемки КА на солнечно синхронной орбите в определенный момент времени. Данная проекция сохраняет конформность отображения вдоль трассы КА, но не учитывает направление протяженности объекта.
В нормальной цилиндрической проекции Меркатора рабочего проекта полученная граничная рамка будет иметь вид четырехугольника, разность между противоположными сторонами которого и угол между ними будет зависеть от широты расположения вершин и размеров объекта.

Реализация рассматриваемого способа расчета границ объекта наблюдения производилась в среде ГИС QGIS. Исходные данные для проекции каждого объекта задавались параметрами в формате proj.4 а пересчет выполнялся с использованием свободно-распространяемой библиотеки pyproj.
+proj=omerc +lat_0=61.95 +lonc=38.14 +alpha=0 +gamma=-17.8 +ellps=WGS84 +units=m +no_defs
Полученные в результате расчетов граничные рамки объектов рекомендуется разбить на маршруты (полигоны с шириной, равной полосе захвата) с необходимым межмаршрутным перекрытием. Данную операцию также следуют выполнять в локальной косой цилиндрической проекции Меркатора для каждого объекта во избежание переналожений и разрывов. Продолжительность включения на каждом маршруте и их длину следует ограничивать размерами исходного полигона. Для данных вычислений можно применять оверлейные операции [4] из функционала ГИС приложений с учетом упреждения включения съемочной камеры.

Результаты работы можно использовать для проектирования съемки в современных режимах наблюдения высокодетальной аппаратурой, на больших площадях, для продолжительных маршрутных включений, а так-же для планирования работы группировки КА с реализацией в современных геоинформационных системах.

1. Douglas, D.H. and Peucker, T.K. (1973) Algorithms for the Reduction of the Number of Points Required to Represent a Digitized Line or Its Caricature. The Canadian Cartographer, 10, 112-122.
2. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р., Штайн К. Алгоритмы:построение и анализ, 2-е издание.: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2007, 2009
3. Space oblique mercator projection mathematical development Snyder, John P. (John Parr), Geological Survey (U.S.), issuing body. 1981.
4. Тюкачев Н. А. Алгоритм построения оверлея многоугольников и многогранников // Вестник ВГТУ. 2009. №5.