Проблема использования параметра GSD при сравнении съёмочной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса

Производители съёмочной аппаратуры, в первую очередь оптико-электронной, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса чаще используют как основную характеристику изделия пространственное разрешение на местности (Ground Sample Distance – GSD), которое определяется лишь несколькими параметрами: размером пикселя фотоприёмника, фокусным расстоянием объектива и высотой орбиты, с которой производится съёмка (дальностью до объекта).
В тоже время, более важными для пользователя космических данных являются линейное разрешение на местности (ЛРМ) [1], уровень шкалы оценки интерпретируемости изображений (National Imagery Interpretability Rating Scale – NIIRS), определяемый по общему уравнению качества изображения (General Image Quality Equation – GIQE v4, v5) [2], которые дополнительно включают всю полноту параметров, определяющих качество космических снимков: резкость краёв объектов (Relative Edge Response – RER), отношение разницы сигналов к шуму (Signal Difference to Noise Ratio – SDNR). В свою очередь RER определяется функцией передачи модуляции системы (Modulation Transfer Function – MTF), на которую влияет качество оптико-электронной системы, дифракция, атмосфера и динамические факторы съёмки («смаз» изображения). Дифракция, в первую очередь, определяется светосилой и относительным отверстием объектива (D/f). И, если фокусное расстояние (f) фиксируется GSD, то определяющим параметром остаётся диаметр апертуры (D). Большее фокусное расстояние без значительных сложностей можно реализовать в компактной компоновке съёмочной аппаратуры за счёт радиусов кривизны оптических элементов, а больший диаметр апертуры ведёт к увеличению размеров и массы первого оптического элемента (чаще зеркала). Стоит отметить, что прорабатываются варианты не увеличивать диаметр первого оптического элемента, а реализовать его синтезированным (составным) или использовать метаматериалы, но такие решения на данный момент не стали массовыми. При этом масса первого оптического элемента может составлять значительную часть всей съёмочной аппаратуры. Масса съёмочной аппаратуры, наряду с GSD, используется как один из основных параметров для сравнения изделий разных производителей. Таким образом при создании съёмочной аппаратуры возникает задача в поиске компромисса между лучшим GSD, качеством изображения и массой.
Использование лишь GSD и массы как основных характеристик съёмочной аппаратуры дистанционного зондирования Земли из космоса видится не только упрощённым подходом, но может быть целенаправленным маркетинговым ходом. GSD и масса понятны для инвестора, и этим пользуются, в погоне за лучшим GSD, которое несложно обеспечить, производители ухудшают дифракционное разрешение, за счёт использования объективов с меньшей апертурой и соответственно массой, что делает такую съёмочную аппаратуру на первый взгляд привлекательной и более конкурентноспособной.
Авторам видится, что от использования параметра GSD для сравнения съёмочной аппаратуры ДЗЗ из космоса необходимо перейти к ЛРМ или уровням NIIRS / GIQE как более информативным и достоверным, а потребители космических данных должны навязать такой подход производителям, что позволит выявить лучшую по техническим характеристикам съёмочную аппаратуру.
В случае если даже некоторые [3] производители публикуют уровень NIIRS, то это делается без версии методики (GIQE v3.0, v4.0, v5.0 имеют значительные отличия) и параметров RER, SDNR, G и H (в ранних версиях), комбинация которых может представить аппаратуру в лучшем свете и в целом даёт возможность указать до 1 уровня NIIRS больше [2], тем не менее существуют и частичные исключения (указана версия методики) [4].
Другой проблемой при сравнении съёмочной аппаратуры ДЗЗ из космоса авторам видится подмена реальных (необработанных) параметров съёмки и съёмочной аппаратуры использованием современных возможностей цифровой обработки изображений, которые могут улучшить GSD практически без ограничений с увеличением объёма хранимых данных, а также повысить резкость краёв и увеличить MTF в 2–5 раз. В целом цифровая обработка изображений позволяет улучшить визуальное восприятие, при этом новых объектов разрешить не удаётся, а чрезмерное увеличение MTF приводит к появлению ореолов на резких краях объектов. Частично отмеченная проблема решается в GIQE v5.0, которая специально для этого дорабатывалась, путём исключения двух параметров (G и H), использовавшихся ранее, а вместо них предложена более сложная математическая формула, придающая больший вес показателю SDNR [2]. Решением проблемы также может являться сравнение по снимкам специальных тестовых полигонов – шпальных и радиальных мир, различных участков с равномерным альбедо.