Имитационная модель преобразования снимков авиационного гиперспектрометра на условия наблюдения из космоса

В последние десятилетия и в настоящее время за рубежом для решения народно-хозяйственных задач успешно используется аппаратура получения видовых данных из космоса, формируемых оптико-электронными системами гиперспектральной съемки (ГСС). Основная причина успеха применения таких систем обусловлена высокой эффективностью выделения и спектрального распознавания объектов интереса в сочетании со сравнительно низкими требованиями по пространственному разрешению.
Для практической отработки методов решения сложных задач обработки и спектрального анализа снимков из космоса широко используются данные авиационной съемки. Поскольку, в силу ряда причин, эти снимки не вполне адекватны результатам космического наблюдения, возможно применение модельных имитаторов для их пересчета. Разработанная имитационная модель преобразует данные авиационной съемки с учетом возможных условий и параметров имитируемой аппаратуры, в спектральном интервале 0.4-0.9 мкм, на результаты наблюдения из космоса.
В имитационной модели на начальном этапе проводится подготовка исходного гиперспектрального «куба», то есть коррекция авиационного снимка с целью снижения радиометрического и спектрального шума. Затем осуществляется пересчет сигнальных значений в векторные величины коэффициентов спектральной яркости (КСЯ) элементов сцены на основе данных внешней калибровки, при этом в качестве эталонных поверхностей используются присутствующие в кадре элементы сцены. Коэффициенты спектральной яркости эталонных поверхностей, размер которых определяется необходимым числом элементов пространственного разрешения с учетом требуемой статистической обусловленности, измеряются в синхронном с авиационной съемкой режиме с помощью полевого спектрометра, например Field Spec, со спектральным шагом один нанометр. Затем они приводятся к моделируемой спектральной характеристике прибора. В ходе предварительной подготовки оценивается уровень сигнального шума и функция рассеяния точки в каждом спектральном канале исходного снимка.
Полученное пространственное распределение векторных величин КСЯ исходного «куба» пересчитывается в энергетические сигналы космического датчика с учетом высоты Солнца, состояния атмосферы, условий наблюдения, спектральных свойств имитируемой аппаратуры и ее параметров (характеристики формирующей оптики и приемной матрицы). При этом обусловливается, что уровень шума на исходном снимке по каждой спектральной линии не должен превышать рассчитанные величины для имитируемого прибора. Измеренное по исходному снимку аберрационное размытие (определяется параметрическими оценками спектральных функций рассеяния точки на исходных данных) также не должно превышать размытие имитируемого прибора при близких значениях геометрического разрешения. При необходимости пересчитанный сигнальный «куб» подвергается дополнительной процедуре размытия и зашумления.
По сформированному «кубу» рассчитываются промежуточные, по каждому спектральному каналу, характеристики качества - функция рассеяния точки и отношение сигнала к шуму для контроля их соответствия имитируемому снимку. Затем применяется процедура имитации внешней калибровки. Для этого выбирается площадной элемент сцены, значение КСЯ которого предполагается заведомо известным, на нем по сформированному «кубу» вычисляется вектор средних значений сигналов. Затем синтезированный «куб» пересчитывается в векторные величины КСЯ аналогично процедуре внешней калибровки исходного авиационного снимка.
В ходе пересчета КСЯ исходного снимка в сигналы имитируемой аппаратуры с учетом заданных условий освещенности и состояния атмосферы использовалась модель MODTRAN 5.2, в ходе применения которой предварительно вычислялись таблицы преобразования альбедо сцены в сигналы на входной апертуре с шагом 0,1. Аэрозольное влияние на трассе определялось моделью с шагом в 0,1 см-1 в пределах рассматриваемой ширины спектра. На основе приведенного к космическим условиям наблюдения «куба» оценивалось влияние условий освещения (высоты Солнца), состояния трассы (в пределах вариабельности используемой модели MODTRAN 5.2), условий наблюдения и параметров аппаратуры наблюдения, включая ее спектральное и пространственное разрешение, на качество решения задач спектрального распознавания элементов сцен.
Очевидно, что спектральный шаг аппаратуры формирования исходного снимка неизбежно вносит ошибки в получение конечного результата. Однако, учитывая достаточную «гладкость» распределений КСЯ большинства природных и искусственных, встречающихся в реальных сценах элементов, «теоретическое» моделирование показывает, что при использовании специальных интерполяционных фильтров реально вносимые при этом ошибки мало влияют на качество имитации, измеренное по конечным характеристикам распознавания. При этом должно выполняться условие, чтобы число спектральных каналов исходного авиационного снимка на интервале 0.4-0.9 мкм, составляло не менее 100.
Рассмотренная имитационная модель «прямого» пересчета используется в дополнение к специально разработанной модели «теоретической» оценки возможностей видового наблюдения на основе гиперспектральной аппаратуры применительно к различным сочетаниям спектральных пар объект-фон. В этой «теоретической» модели в качестве входных данных используются непосредственно измеренные наземным прибором (спектрометр Field Spec) характеристики КСЯ различных природных и искусственных образований с высоким спектральным разрешением и частым шагом по спектру (средние КСЯ с учетом вариабельности). Модель «теоретической» оценки позволяет контролировать качество элементов имитационной модели «прямого» пересчета гиперспектральных авиационных данных на условия космического наблюдения, то есть проводить ее косвенную верификацию.
В качестве примера рассмотрено применение разработанного подхода к данным ГСС, полученным авиационной аппаратурой «Сокол» (НТЦ ОАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева»).