Разработка и исследование имитационной модели дистанционного зондирования поверхности Земли тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Денисов Андрей Васильевич

• Денисов Андрей Васильевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Денисов Андрей Васильевич

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 Численные методы и средства моделирования дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра

излучения

1.1 Принципы дистанционного зондирования поверхности Земли в

оптическом диапазоне спектра излучения

1.1.1 Дистанционное зондирование поверхности Земли

1.1.2 Обзор работ, выполненных в данной области

1.2 Анализ численных методов моделирования применительно к системам

дистанционного зондирования

1.2.1 Классификация методов моделирования

1.2.2 Виртуальный полигон

1.2.3 Алгоритм имитационного моделирования дистанционного

зондирования, реализуемый на виртуальном полигоне

Выводы по главе

Глава 2 Исследование имитационных моделей и элементов системы дистанционного зондирования поверхности Земли на основе виртуального

полигона

2.1 Имитационная модель объектива

2.2 Математическая модель линейного разрешения на местности

2.3 Модель системы приема и преобразования информации

2.4 Геометрическая модель съемки поверхности Земли

2.4.1 Геометрическое построение параметрической модели съемки

2.4.2 Определение координат точек подстилающей поверхности

Земли

2.5 Анализ моделирования атмосферы

2.6 Модели случайных атмосферных возмущений

2.6.1 Модель возмущений от потенциала сил притяжения Земли

2.6.2 Модель возмущений от сопротивления атмосферы поверхности

Земли движению космического аппарата

2.6.3 Модель возмущений от силы влияния Луны и Солнца

2.7 Имитационная модель системы дистанционного зондирования

поверхности Земли

Выводы по главе

Глава 3 Численный метод и алгоритмы моделирования для исследования

процесса построения изображений

3.1 Численный метод построения изображений

3.2 Алгоритм построения промежуточных изображений с учетом различных параметров системы и условий полета космического аппарата

3.3 Алгоритм построения единого изображения

3.4 Описание компьютерно-ориентированной модели для инициализации динамических сцен на виртуальном полигоне

3.5 Программный интерфейс компьютерно-ориентированной модели

Выводы по главе

Глава 4 Компьютерно-оринтированные исследования имитационной

модели дистанционного зондирования на виртуальном полигоне

4.1 Программно-аппаратный комплекс

4.2 Исходные данные моделирования

4.3 Режим съемки - 300 км

4.3.1 Результаты эксперимента

4.3.2 Анализ результатов эксперимента

4.3.3 Проверка результатов эксперимента

4.4 Режим съемки - 500 км

4.4.1 Результаты эксперимента

4.4.2 Анализ результатов эксперимента

4.5 Режим съемки - 700 км

4.5.1 Результаты эксперимента

4.5.2 Анализ результатов эксперимента

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ДЗЗ - дистанционное зондирование поверхности Земли

КА - космический аппарат

МС - мультиспектральный режим съемки

НППИ - наземный пункт приема и преобразования информации

ОПФ - оптическая передаточная функция

ОСШ - отношение сигнал/шум

ОЭП - оптико-электронный преобразователь

ПЗС - прибор с зарядовой связью

ПК - программный комплекс

ПО - программное обеспечение

ПОС - приемная оптическая система

ППЗ - подстилающая поверхность Земли

ПХ - панхроматический режим съемки

Сдзз - оптико-электронная система дистанционного зондирования поверхности Земли

СДИ - скорость движения изображения

СППИ - система приема и преобразования информации

ТЗ - техническое задание

ФПЗС - фотоприемное устройство на основе прибор с зарядовой связью

ФПМ - функция передачи модуляции

ФПУ - фотоприемное устройство

ЭВМ - электронная вычислительная машина

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ

1. Виртуальный полигон - это вычислительная экспериментальная площадка по разработке и инициализации динамических сцен имитационного моделирования.

2. Дистанционное зондирование поверхности Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различного вида Сдзз работающими в оптическом диапазоне спектра излучения (0,42 - 1,1 мкм).

3. Качество изображения - это свойство или совокупность свойств исследуемого объекта, обуславливающих его пригодность для использования по назначению.

4. Линейное разрешение на местности - величина, характеризующая размер наименьших объектов, различимых на изображении.

5. Оптико-электронная система ДЗЗ (СдЗЗ) - совокупность функционально и организационно объединенных оптических, оптико-электронных, электронных, вычислительных и других технических средств, часть из которых расположена на борту КА, и предназначенных для получения информации о наземных объектах или участках местности.

6. Система (или ее звено) называется линейной, если для описания ее работы применим принцип суперпозиции.

7. Формулировка принципа суперпозиции:

если сложный сигнал, подаваемый на вход системы, представляет собой линейную комбинацию элементарных функций и если реакция системы на каждую из них описывается некоторой функцией-откликом, то сигнал на выходе системы будет представлять собой аналогичную комбинацию этих откликов.

8. Функция передачи модуляции - зависимость коэффициента передачи модуляции от пространственной частоты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование имитационной модели дистанционного зондирования поверхности Земли»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Современный этап развития мониторинга поверхности Земли из космоса характеризуется многообразием исследовательского оборудования в составе космических аппаратов различного назначения. Одна из важнейших задач дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса состоит в сборе данных в оптическом диапазоне спектра излучения с применением оптико-электронных средств. В настоящее время свыше 15 стран располагают собственными космическими аппаратами с различными оптико-электронными системами, обеспечивающих решение разнообразных прикладных задач. Общее число одновременно функционирующих космических аппаратов дистанционного зондирования достигает нескольких десятков.

Основными направлениями и практическими задачами, стоящими перед операторами систем дистанционного зондирования поверхности Земли и потребителями получаемых данных, являются:

- мониторинг состояния окружающей среды;

- задачи картографии и геодезии;

- задачи геологоразведки;

- задачи специального назначения;

- обеспечение требуемой эффективности и качества военной и гражданской техники;

- обеспечение безопасности во всех сферах деятельности.

Дистанционное зондирование из космоса позволяет получать ценную информацию о геофизических, географических и техногенных процессах, происходящих на земной поверхности. В зависимости от решаемых задач мониторинг осуществляется методами маршрутной, объектовой, стереоскопической, статической, динамической, топографической и спектрометрической съемок. Как правило, съемка выполняется в панхроматическом и мультиспектральном режимах.

Создание высокоточных и надежных космических систем является многоэтапным и многофакторным процессом. Научно-технические проблемы, возникающие при этом, требуют проведения большого объема теоретических и экспериментальных исследований. Производство и испытания должны максимально эффективно обеспечивать формирование перспективных космических комплексов, отвечающим реальным условиям эксплуатации. Однако, при проведении таких опытно-конструкторских работ (по результатам натурных испытаний априорных требований), не всегда подтверждаются заданные в техническом задании характеристики. Основная трудность при проектировании указанных систем заключается в том, что теоретически они являются симбиозом ряда областей наук с разнообразными физическими процессами и законами. При этом, кроме влияния производственных ошибок, снижение технических характеристик разрабатываемых систем может также обуславливаться недостаточной глубиной проведенных на этапе проектирования исследований по проверке соответствия реальным условиям эксплуатации, например:

- отсутствием учета влияющих факторов и физических процессов, возникающих в процессе реальной эксплуатации;

- недостаточным учетом свойств используемых материалов;

- не полным учетом особенностей применения космических средств.

Выход из создавшейся ситуации лежит в применении совместных численных методов компьютерного и натурного моделирования на современных ЭВМ с возможностью проведения всех видов сопутствующих работ. Это позволит обеспечить принятие оптимального схемотехнического решения для систем космического назначения с последующей его реализацией. Разработка таких имитационных моделей и виртуальных полигонов обеспечит контроль и соблюдение высоких тактико-технических требований при проектировании рассматриваемых систем. Однако при решении таких задач возникают значительные алгоритмические сложности, обусловленные сложностью регистрации и передачи информации о поверхности Земли. В связи с этим,

возникает необходимость развития вычислительного компьютерного эксперимента с применением 1Т технологий. Применение численных методов имитационного моделирования позволяет решить проблемы повышения достоверности, точности и оперативности получения априорных оценок и показателей процесса целевого применения космических средств дистанционного зондирования на этапах проектирования и эксплуатации.

Таким образом, актуальность темы диссертации обусловлена развитием и применением 1Т технологий на всех этапах разработки и эксплуатации перспективных систем дистанционного зондирования поверхности Земли и является продолжением исследований, не отраженных в диссертационных работах: К.Т. Протасова, А.В. Мансурова, Е.В. Ручинской, В. Л. Онегова, И. А. Перла.

Объектом исследования является имитационная модель системы дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения, реализуемая на виртуальном полигоне.

Предметом исследования являются модели, алгоритмы, численные методы и программные средства для разработки имитационной модели на виртуальном полигоне применительно к задачам дистанционного зондирования поверхности Земли из космоса.

Целью работы является разработка, исследование и реализация на ЭВМ имитационной модели дистанционного зондирования для получения изображений с высоким линейным разрешением на местности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ методов математического моделирования и обосновать подход применительно к исследованию систем дистанционного зондирования.

2. Разработать структуру виртуального полигона для инициализации динамических сцен имитационного моделирования.

3. Разработать имитационную модель и численный метод реализации имитационного моделирования системы дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

4. Разработать алгоритмы моделирования позволяющие осуществить исследование процесса построения изображения в системах дистанционного зондирования и реализовать компьютерно-ориентированную модель для апробации результатов и получения экспериментальных изображений с высоким линейным разрешением на местности.

Методы исследования включают в себя численные методы математического моделирования, машинной графики, обработки изображений, прикладной математики, прикладной оптики, теории эксперимента, теории вероятностей и вычислительной техники.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработана структура виртуального полигона и численный метод построения изображений, который реализует алгоритмы моделирования, учитывающие различные параметры системы дистанционного зондирования и условия полета космического аппарата. Теоретической основой численного метода является имитационная модель дистанционного зондирования. Компьютерно-ориентированная модель инициализирована на программно-аппаратном комплексе, что позволило выполнить полномасштабное моделирование с учетом заданных функционально-параметрических характеристик. Использование базы данных моделей, сценариев и возможных ситуаций виртуального полигона позволило упростить тестирование имитационной модели дистанционного зондирования и процесс ее моделирования. В совокупности, практические результаты работы позволили решить задачи диссертационного исследования по разработке имитационной модели дистанционного зондирования и получить изображения с достаточно высоким разрешением на местности.

Разработанные модели, алгоритмы, численные методы и программные средства могут быть отчуждены для использования в сторонних методах и

разрабатываемых системах. В рамках внедрения диссертационной работы и по результатам её апробации, проведённые исследования позволили получить необходимые тактико-технические характеристики для рассматриваемых систем и сократить время моделирования в пределах 50-60%.

Научную новизну работы составляют:

1. Имитационная модель, позволяющая исследовать процесс построения изображений на виртуальном полигоне, учитывая различные параметры системы дистанционного зондирования и условий полета космического аппарата.

2. Численный метод построения изображений на основе разработанных алгоритмов, учитывающих различные параметры системы дистанционного зондирования и условия полета космического аппарата.

3. Компьютерно-ориентированная модель для исследования системы дистанционного зондирования на виртуальном полигоне.

Практические результаты работы составляют:

1. Программное обеспечение виртуального полигона, функционирующее на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35» и реализованное в контрольно-измерительной станции ОАО «ЛОМО».

2. Программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы построения изображений на виртуальном полигоне.

3. Комплект эксплуатационной документации на программное обеспечение виртуального полигона.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Имитационная модель, позволяющая исследовать процесс построения изображений на виртуальном полигоне, учитывая различные параметры системы дистанционного зондирования и условия полета космического аппарата.

2. Численный метод построения изображений на основе разработанных алгоритмов, учитывающих различные параметры системы дистанционного зондирования и условия полета космического аппарата.

3. Программно-аппаратный комплекс, реализующий алгоритмы построения изображений на виртуальном полигоне.

Достоверность научных результатов и выводов обусловлена обоснованностью применения математического аппарата, результатами тестирования алгоритмов и программного обеспечения, а также практическим внедрением результатов работы.

Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы компаниями ООО «ЛОМО МЕТЕО», ООО «АвтоВизус», а также внедрены в учебный процесс на базовой кафедре ОЦСиТ Университета ИТМО.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты обсуждались и получили одобрение на 9 международных и российских научных конференциях и конгрессах:

- XXXIX Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- XL Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- Международном конгрессе по интеллектуальным системам и информационным технологиям К&^'П, г. Геленджик-Дивноморское, 2011 г.;

- VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2011», г. Санкт-Петербург, 2011 г.;

- ХLI Научной и учебно-методической конференции Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург, 2012 г.;

- III Молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012», г. Санкт-Петербург, ФГУП «КБ «Арсенал» имени М.В. Фрунзе», 2012 г.;

- VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2013», г. Санкт-Петербург, 2013 г.;

- XLV Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике», г. Новосибирск, 2015 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ (из них 5 - в изданиях из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ).

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в следующем: выполнение аналитического обзора в проблемной области диссертационной работы, исследование моделей и разработке имитационной модели дистанционного зондирования, разработка численного метода и алгоритмов построения изображений на виртуальном полигоне, проведение серии компьютерных экспериментов и интерпретации их результатов. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертационную работу включены результаты, соответствующие личному участию автора.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений, перечня основных используемых определений и списка литературы. В список использованной литературы входит 87 наименований. Диссертационная работа содержит 140 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок и 19 таблиц.

Глава 1

Численные методы и средства моделирования дистанционного дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения

1.1 Принципы дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения

Дистанционное зондирование поверхности Земли (ДЗЗ) - наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различного вида оптико-электронными системами (Сд33) работающими в оптическом диапазоне спектра излучения (0,42 - 1,1 мкм). Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны) [21]. Методы дистанционного зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные -использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия [32]. Данные объектовой съемки, полученные с воздушного судна, характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы в различных диапазонах электромагнитного излучения [14, 21, 77].

В соответствии с концепцией построения систем космического базирования различного назначения предполагается ими предлагаются [22]:

- как правило, формирование съемки из космоса происходит в панхроматическом (ПХ) и мультиспектральном (МС) режимах съёмки изображений заданных объектов (участков) земной поверхности в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра;

- преобразование изображений в цифровую форму с последующей обработкой и сжатием;

- передача целевой информации (как в темпе поступления, так и в режиме запоминания) на бортовую аппаратуру с последующей её передачей по радиоканалу на наземные пункты приёма информации.

Основные направления и практические задачи, стоящие перед СдЗЗ устанавливаемыми, являются [22]:

1. Дистанционное зондирование:

• с линейным разрешением на местности не более 0,6 м для панхроматического канала и 1,5 м для мультиспектрального;

• с полосой захвата порядка в среднем 20 км;

• с отношением сигнал/шум более 100;

• с функцией передачи модуляции на зачетной частоте не менее 0,1.

2. Астрометрия:

• создание высокоточного (погрешность не хуже 25х10-6 секунд дуги) каталога положений (точность положений и собственных движений не хуже 1-10" секунды дуги; точность определения параллакса порядка 4-10-5 секунд дуги для звезд, звездная величина которых составляет 16т; точность фотометрии 0,01-0,10 м для длина волны 0,2-10 мкм, число спектральных полос 10-16) и собственных движений небесных объектов до 18т;

• создание каталога спектральных энергетических распределений (Я-1/2000) звезд до 12т (выборочно до 16-18т) и лучевых скоростей всех звезд до 18-19т в 4-6 независимых интервалах спектра.

На рисунке 1 приведено разнообразие некоторых существующих, выведенных из эксплуатации (по причинам срока работы систем), а также планируемых комплексов дистанционного зондирования работающих в оптическом диапазоне спектра излучения на 2016 г. [24].

Рисунок 1 - Разнообразие систем дистанционного зондирования в оптическом диапазоне спектра излучения

Основной задачей работы является разработка имитационной модели системы ДЗЗ с целью построения изображений на основе разрабатываемых алгоритмов для последующей оценки линейного разрешения на местности подстилающей поверхности Земли (ППЗ) в оптическом диапазоне спектра излучения с учетом реальных условий имитационных на виртуальном полигоне. Исследования в такой постановке может быть выполнено только с применением современных 1Т-технологий, математического и натурного моделирования и проверкой компьютерным экспериментом.

Так как принцип работы Сдзз представляет собой процесс анализа энергии в оптическом диапазоне, отраженной или излученной ППЗ, то получаемую с СдЗЗ информацию можно рассматривать как результат прохождения ее от ППЗ через оптико-электронный тракт, состоящий из атмосферы, атмосферных возмущений (атмосферной турбулентности, фонов, помех и т.д.), системы приема и преобразования информации (СППИ) и объектива (ОБ). Математическая модель СдЗЗ в рамках теории линейных систем представима в виде следующего функционала [29-32]

АСдзз {ВАтмосферы ■ Есппи ■ Роб}, (1.1)

где

{ВлтмОСферы ■ ЕСППИ ■ ¥об} - суперпозиции оптических свойств атмосферы, способов приёма и обработки оптической информации и объектива.

1.1.1 Дистанционное зондирование поверхности Земли

На рисунке 2 представлена обобщенная схема приема и обработки информации о поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения. Облучённость входного зрачка оптической системы как энергетический образ поверхности формируется за счет излучения, проходящего от нее в виде отраженного излучения от внешних излучений Солнца [27, 48].

Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема дистанционного зондирования В фокальной плоскости оптической системы формируется изображение ППЗ заданного качества, а в СППИ - его преобразование и фильтрация с целью получения сигнала в заданном формате для передачи на наземный пункт приема информации (НППИ). Работа оптико-электронной съемочной аппаратуры основана на регистрации движущего изображения, формируемого в фокальной плоскости ПОС, с помощью линейки матричных полупроводниковых сенсоров.

Помимо системы дистанционного зондирования поверхности Земли на рисунке 2 показаны посторонние излучения - фонов, помех, атмосферной турбулентности принципиально ограничивающее разрешение на местности оптического диапазона на уровне 0,15 - 0,2 м [76]. ПОС собирает поток,

излучаемый наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет на СППИ, которая преобразует оптический сигнал в электрический [17, 18].

Накопленная на сенсорах фотоприемного устройства (ФПУ) информация в виде электрических сигналов считывается приемным регистром и преобразуется в цифровые коды, характеризующие отражающую способность элементов наблюдаемой поверхности. После этого начинается экспозиция новой строки, а кадровая развертка осуществляется за счет движения носителя аппаратуры. Затем окончательно формируется выходной сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям технического задания (ТЗ) [57, 76].

1.1.2 Обзор работ, выполненных в данной области

На сегодняшний день для изучения области дистанционного зондирования применяются современные компьютерные II технологии, позволяющие исследовать поведение системы дистанционного зондирования, как на этапе испытаний, так и процессе эксплуатации, тем самым получая возможность на НППИ, получать изображения высокого разрешения в панхроматическом (градации черно-белых контрастов) и мультиспектральном (в цвете) режимах съемки.

Разработкой различных программных продуктов и комплексов для анализа и обработки съемки из космоса занимаются такие организации, как: ОАО «Российские космические системы», ФКА «Научный центр оперативного мониторинга Земли», Компания «Совзонд», организации-разработчики: АО «РКЦ «Прогресс», ФГУП «КБ «Арсенал имени М.В. Фрунзе», ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35», ОАО «ЛОМО», а также образовательные учреждения высшего образования: Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского, Московский государственный технический университет имени

Н.Э. Баумана, Московский университет имени М.В. Ломоносова и другие организации и учреждения.

Среди предыдущих работ, выполненных по данной специальности -05.13.18, следует выделить диссертационные работы исследователей:

1. Протасова К.Т. Диссертационная работа на соискание ученой степени доктора технических наук на тему: «Математические методы и алгоритмы обработки данных аэрокосмического зондирования земных покровов».

В данной диссертационной работе рассматриваются проблемы исследования подстилающей поверхности Земли и облаков. В данной работе автору удалось решить задачи по разработке общего информационно-теоретического подхода, путем распознавания объектов и явлений (образов) по агрегированным разнородным наблюдениям в многоканальном диапазоне и описаниям высокой размерности, которыми являются векторные процессы и поля.

2. Мансурова А.В. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему: «Алгоритмы обработки данных радиоволнового дистанционного зондирования поверхности Земли на основе искусственных нейронных сетей».

В данной диссертационной работе решена задача применения нейросетевых алгоритмов для обработки данных дистанционного зондирования. Автором разработаны методика и алгоритмы определения влажности и температуры почвенного покрова, а также разработан алгоритм определения овражной сети по радиолокационному изображению.

3. Ручинской Е.В. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему: «Математическое моделирование управляемого движения космических аппаратов».

В данной работе, в отличие от представленных выше, не рассматривается процесс съемки из космоса. Задача посвящена разработке комплекса прикладных программ, определяющих абсолютное движение космического аппарата с малой

тягой и относительное движение при управляющих воздействиях по осям визирной системы координат.

4. Онегова В.Л. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему: «Математическое моделирование геологических сред на основе тепловизионных снимков».

Тема диссертационной работы направлена на решение вопросов программного и методического обеспечения дистанционного тепловизионного зондирования. Автору удалось решить задачи по разработке региональных и локальных моделей на основе космических снимков и применить их на разработанном программном комплексе, реализующий методику и алгоритмы обработки тепловизионных изображений, и обеспечивающий расчет интегральных и дифференциальных характеристик потока теплового поля с формированием трехмерных моделей, карт и разрезов.

5. Перла И.А. Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук на тему: «Оптимизация систем дистанционного зондирования Земли методами математического моделирования».

Тема диссертационного исследования Перла И.А. посвящена оптимизации систем дистанционного зондирования путем разработки комплексной модели, позволяющей исследовать процесс построения результирующего изображения и исследовать его зависимость от свойств используемого сенсора и характеристик полета космического аппарата. Автору удалось разработать вариант усовершенствования линейки ФПЗС, который позволяет выявить процесс выдачи накопленного заряда и разработать метод ведения непрерывной съемки с использованием ФПЗС сенсора линейного типа.

Отсюда сделаем вывод, что разработанные в представленных выше работах алгоритмы, методы и модели показывают, что в целом исследователи ориентированы на решение одной сложнейшей прикладной задачи посвященной дистанционному зондированию, нежели разработке общей полномасштабной модели процесса мониторинга из космоса. Реализованные в данных работах

алгоритмы классификации приспособлены для спектрального анализа всего изображения и не сообщают, где какой объект расположен. Это связано, прежде всего, с тем, что для персональной поддержки принятия решений необходимы не только исходные данные параметров Сдзз и орбиты (которые являются недоступными, а зачастую и секретными), но и возможность исследования различных априорных сценариев и ситуаций поведения космической системы в реальных условиях эксплуатации. Вследствие чего, разрабатываемая имитационная модель СдЗЗ реализуемая на виртуальном полигоне должна выдавать возможность адекватности задаваемых параметров и условий съемки, которые реализуются на программно-аппаратном комплексе ЗАО «НПФ «ИнфоСистем-35».

1.2 Анализ численных методов моделирования применительно к системам дистанционного зондирования

Процесс проектирования и технология разработки объекта-модели СдЗЗ требует совокупности применения методов математического имитационного и натурного моделирования в конкретной предметной области [21].

Математическая модель СдЗЗ есть функционал, устанавливающий взаимосвязь параметров системы с целевой функцией. В качестве математической модели целесообразно выбирать такую, которая обеспечивала бы удобство определения искомых величин при моделировании систем, а также давали бы адекватную математическую модель [76]. Эффект наблюдения объекта может быть усилен за счет применения интерактивных технологий, отображающих реакцию моделируемого объекта на разнообразные воздействия и факторы. Он развивается в тесной связке с вычислительными технологиями имитационного моделирования и служит основой для создания прогнозных современных систем для принятия правильных схематичных решений и математических вычислений сложных систем [76].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Денисов Андрей Васильевич, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аванесов, Г.А., Василевский, А.С., Зиман, Я.Л., Полянский, И.В. Цифровые авиационные съёмочные системы на линейных ПЗС-детекторах / Аванесов, Г.А., Василевский, А.С., Зиман, Я.Л., Полянский, И.В. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. - 2005 г. - 189-195 с.

2. Алешин, В.И., Афанасьев, В.О., Макаров-Землянский, Н.В., Томилин, А.Н., Чумаков, В.А. Некоторые аспекты применения имитационных моделей с интерфейсом «виртуальная реальность» / Алешин, В.И., Афанасьев, В.О., Макаров-Землянский, Н.В., Томилин, А.Н., Чумаков, В.А.. - М.: Изд-во РАН, 1995 г.

3. Астапов, А.П., Васильев, Д.В., Заложнев, Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем / Астапов, А.П., Васильев, Д.В., Заложнев, Ю.И. -М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1988 г. - 328 с.

4. Афанасьев, О.В., Голик, Е.С., Первухин, Д.А. Теория и практика моделирования сложных систем: учебное пособие / Афанасьев, О.В., Голик, Е.С., Первухин, Д.А.. - СПб: СЗТУ, 2005 г.

5. Бакланов, А.И., Клюшников, М.В., Савицкий, А.М., Стратилатов, Н.Р., Хайлов, М.Н. Комплекс оптико-электронной аппаратуры высокого пространственного разрешения для перспективных российских спутников ДЗЗ / Афанасьев, О.В., Голик, Е.С., Первухин, Д.А. - Тезисы докладов VII научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (СНМДЗЗ). Москва, 2010 г. 35 с.

6. Бакут, П.А., Жулина, Ю.В., Иванчук, Н.А. Обнаружение движущихся объектов / Бакут, П.А., Жулина, Ю.В., Иванчук, Н.А. - Под ред. П.А. Бакута.- М.: Сов .радио, 1980 г. 288 с.

7. Батраков, А.С., Анатольев, А.Ю. Математическая модель для прогнозирования линейного разрешения космических оптико-электронных систем дистанционного зондирования / Батраков, А.С., Анатольев, А.Ю. - Оптический журнал 2000 г. том 67, №7. 92 с.

8. Белоконов, И.В. Статистический анализ динамических систем: Учебное

пособие / Белоконов, И. В. - Самара, 2001 г.

9. Бобров, И.Н., Пызюк, Д.Л. Математическая модель атмосферы Земли в диапазоне ММВ / Бобров, И.Н., Пызюк, Д.Л. - Crimean Conference «Microwave & Telecommunication Technology». 11 - 15 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine 2006. ISBN: 966-322-006-6. IEEE Catalog Number: 06EX1376.

10. Бусленко, Н. П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем / Бусленко, Н. П. - М.: Наука, 1977 г. 239 c.

11. Бусленко, Н.П. Моделирование сложных систем / Бусленко, Н.П. -М.: Наука, 1978 г. 400 c.

12. Васильев, К.К., Служивый, М.Н. Математическое моделирование систем связи: Методические указания к лабораторным работам / Васильев, К.К., Служивый, М.Н. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. 24 c.

13. Гамма, Э., Хелм, Р., Джонсон, Р., Влиссидес, Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Серия: Библиотека программиста / Гамма, Э., Хелм, Р., Джонсон, Р., Влиссидес, Дж. - СПб.: Питер, 2007 г. 366 c.

14. Гарбук, С.В., Гершензон, В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли / Гарбук, С. В., Гершензон, В. Е. - М.: А и Б, 1997 г. 296 c.

15. Гомозов, О.А. Методы и технологии геометрической обработки космической видеоинформации от оптико-электронных систем высокого пространственного разрешения: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Гомозов, О.А. - Рязанская государственная радиотехническая академия, 2005 г.

16. ГОСТ Р 25645.166-2004 «Атмосфера земли верхняя. Модель плотности для баллистического обеспечения полетов искусственных спутников Земли».

17. Гош, С., Чандра, А. Дистанционное зондирование и географические информационные системы / Гош, С., Чандра, А. - М.: Техносфера, 2008 г. 328 c.

18. Грамматин, А. П., Сычёва, А. А. Трехзеркальный объектив телескопа без экранирования / Грамматин, А. П., Сычёва, А. А. ОЖ. 2010 г, Т. 77 № 1, 24 - 77 c.

19. Грекул, В., Денищенко, Г., Коровкина, Н. Проектирование информационных систем. Курс лекций. Учебное пособие / Грекул, В., Денищенко, Г., Коровкина, Н.- М.: Интернет-университет информационных технологий, 2005 г. 304 с.

20. Демин, А.В., Денисов, А.В. Программно-аппаратный комплекс моделирования процесса съемки / Демин А.В., Денисов А.В. Инженерный вестник Дона, выпуск № 2 - 2015 г. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2913.

21. Демин, А.В., Денисов, А.В. Методы и средства моделирования систем дистанционного зондирования Земли из космоса / Демин А.В., Денисов А.В. Инженерный вестник Дона, выпуск № 2 - 2015 г. - URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2914.

22. Демин, А.В., Денисов, А.В., Летуновский, А.В. Оптико-цифровые системы космического назначения / Демин, А.В., Денисов, А.В., Летуновский, А.В. // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2010 г. - №3. - С. 51-59.

23. Демин, А.В., Денисов, А.В., Перл, И.А., Третьякова, А.А. Оптико-электронный комплекс повышенной производительности / Демин, А.В., Денисов, А.В., Перл, И.А., Третьякова, А.А. // Научно технический вестник СПбГУ ИТМО. 2011 г. - №3. - С. 1-5.

24. Демин, А.В., Денисов, А.В. Моделирование функционально-параметрических характеристик систем дистанционного зондирования поверхности Земли в оптическом диапазоне спектра излучения / Демин, А.В., Денисов, А.В. // Южно-Сибирский научно-технический вестник, выпуск № 1 (9) -2015 г. - С. 46-49.

25. Демин, А.В., Денисов, А.В. Разработка динамической сцены для моделирования и анализа проектных решений оптико-цифровых систем дистанционного зондирования поверхности Земли / Демин, А.В., Денисов, А.В. Южно-Сибирский научно-технический вестник, выпуск № 1 (9) - 2015 г. -С. 50-56.

26. Демин, А.В., Денисов, А.В. Имитационная модель системы приема и

преобразования информации комплексов дистанционного зондирования Земли // Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «А^-ИТ'П». / Демин, А.В., Денисов, А.В. Научное издание в 4-х томах. - Геленджик-Дивноморское: Физматлит, 2011 г. - С. 133-137.

27. Демин, А.В., Денисов, А.В. Разработка и исследование математической модели дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне. Сборник статей ХЬУ международной научно-практической конференции № 4 (41) «Технические науки - от теории к практике». / Демин, А.В., Денисов, А.В. - Новосибирск: «СибАК», 2015 г. - С. 100-106.

28. Демин, А.В., Денисов, А.В. Разработка и исследование математической модели дистанционного зондирования поверхности Земли на виртуальном полигоне. Сборник статей ХЬУ международной научно-практической конференции № 4 (41) «Технические науки - от теории к практике». / Демин, А.В., Денисов, А.В. - Новосибирск: «СибАК», 2015 г. - С. 100-106.

29. Денисов, А.В. Система приема и преобразования информации для оптико-цифровых комплексов дистанционного зондирования поверхности Земли. Сборник трудов VII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2011» / Денисов, А.В. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2011 г. - С. 453-457.

30. Денисов, А.В. Моделирование оптико-электронных систем дистанционного зондирования поверхности Земли способом просмотра активностей блоков // Сборник трудов докладов VIII конференции молодых ученых. / Денисов, А.В. Выпуск № 2. - Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2011 г. -С. 220-221.

31. Денисов, А.В. Математические модели оптико-электронных систем дистанционного зондирования поверхности Земли. Труды III научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи 2012». / Денисов, А.В. -Санкт-Петербург: ФГУП «КБ «Арсенал» им. М.В. Фрунзе», БГТУ «Военмех», 2012 г. - С. 76-77.

32. Денисов, А.В. Разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов анализа проектных решений для систем дистанционного зондирования поверхности Земли. Сборник трудов VIII Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2013». / Денисов, А.В. - Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, 2013 г. - С. 184-187.

33. Денисов А.В. Моделирование оптико-электронных систем космического назначения / Денисов А.В. // Научно-технический журнал «Известия вузов. Приборостроение», выпуск № 11 (58) - 2015 г. - С. 882-889.

34. Зуев, В.Е., Креков, Г.М. Оптические модели атмосферы / Зуев, В.Е., Креков, Г.М. - М.: Гидрометеоиздат, 1986 г. 256 с.

35. Зуев, В.Е., Макушкин, Ю.С., Пономарев, Ю.Н. Оптические модели атмосферы / Зуев, В. Е., Макушкин, Ю. С., Пономарев, Ю. Н. -М.: Гидрометеоиздат, 1987 г. 249 с.

36. Кальянова, А.И. Исследование путей и возможностей создания автоматизированной системы идентификации объектов: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Кальянова, А.И. - СПбГУ ИТМО, 2009 г.

37. Карпов, Ю. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование / Карпов, Ю. - М.: ВБУ-СПб, 2005 г.

38. Каталевский, Д. Основы имитационного моделирования и системного анализа в управлении / Каталевский, Д. - М.: МГУ, 2011 г.

39. Колесов, Ю., Сениченков, Ю. Моделирование систем. Объектно-ориентированный подход. Учебное пособие / Колесов, Ю., Сениченков, Ю. -М.: ВНУ-СПб, 2006 г.

40. Колючкин, В.Я., Мосягин, Г.М. Тепловизионные приборы и системы. Учебное пособие / Колючкин, В.Я., Мосягин, Г.М. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 г.

41. Копорский, Н.С. Разработка алгоритмов и моделей проектных решений для систем поиска и наведения: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Копорский, Н.С. - СПбГИТМО (технический университет), 2003 г.

42. Коршунов, А.И. Методы и средства повышения эффективности гирооптических систем управления объектом: диссертация на соискание ученой степени к.т.н./ Коршунов, А.И. - СПбГУ ИТМО, 2006 г.

43. Куимов, К.В., Курт, В.Г., Рудницкий, Г.М., Сурдин, В.Г., Теребиж, В.Ю. Небо и телескоп / Куимов, К.В., Курт, В.Г., Рудницкий, Г.М., Сурдин, В.Г., Теребиж, В.Ю. - М.: Физматлит, 2009 г.

44. Кутузов, С.А., Марданова, М.А., Осипков, Л.П., Старков, В.Н. Проблемы математического моделирования космических систем / Кутузов, С.А., Марданова, М.А., Осипков, Л.П., Старков, В.Н. - СПб.: СОЛО, 2000 г. С. 228.

45. Кучейко, А. Искусственные спутники Земли / Кучейко, А. // Миниспутник оперативной разведки. // Новости космонавтики. - 2006 г. 02-28ККБ-N0. 002 - С. 50-51.

46. Кучер, А.В. Разработка и исследование алгоритмов анализа сложных многорежимных систем: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Кучер, А.В. - СПбГУ ИТМО, 2006 г.

47. Ларман, К. Применение ЦМЪ 2.0 и шаблонов проектирования. Введение в объектно-ориентированный анализ, проектирование и итеративную разработку / Ларман, К. - М.: Вильямс, 2007 г. 736 с.

48. Левко Г.В., Умбиталиев А.А., Цыцулин А.К. Системы ДЗЗ наблюдения динамичных объектов / Левко Г.В., Умбиталиев А. А., Цыцулин А.К. // Материалы X юбилейной научно-технической конференции "Системы наблюдения, мониторинга и ДЗЗ", М, 2013, с.91-93.

49. Левко Г.В., Цыцулин А.К., Чиркунова А.А. Достижение предельной контрастной чувствительности при пригоризонтном наблюдении / Левко Г.В., Цыцулин А.К., Чиркунова А.А. // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли: Материалы XI научно-технической конференции, г. Сочи, 13-18 сентября, 2014 г.- М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, филиал «ЦСКБ-ПРОГРЕСС»-НПП «ОПТЭКС», 2014. - С. 236-237.

50. Левко Г.В. Крупноформатные ПЗС и ПЗС мозаики / Левко Г.В. // Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2013, вып.1, с.34-48

51. Макаров, С.Л. Автоматизация анализа проектных решений с применением методов интеллектуальной обработки информации: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Макаров, С.Л. - Московский государственный институт электроники и математики (технический университет) , 2009 г.

52. Максимей, И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / Максимей, И. В.. - М.: Радио и связь, 1988 г. 232 с: ил. — ISBN 5-256-00001-2.

53. Мартынов, Д.Я. Курс практической астрофизики. Учебник / Мартынов, Д. Я. - М.: Наука, 1977 г.

54. Мартюшев, Ю.Ю. Практика функционального цифрового моделирования в радиотехнике / Мартюшев, Ю.Ю. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005 г.

55. Мельников, В. Н. Управление ориентацией космического аппарата / Мельников, В.Н. Обзор, 2011 г. 49 с.

56. Методика расчета линейного разрешения на местности для оптико-электронных систем космического наблюдения. - М: Учебное пособие ВИКА им. Можайского, 2002 г.

57. Миронов, А.В. Основы астрофотометрии. Практические основы фотометрии и спектрофотомерии звезд / Миронов, А.В. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г.

58. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов / Мирошников, М.М. - Л.: Машиностроение, 1977 г. 600 с.

59. Николаев, С.В. Проектирование программного обеспечения: Учебное пособие / Николаев, С.В. - Таганрог: ТРТУ, 2002 г. 146 с.

60. Обиралов, А., Лимонов, А., Гаврилова, Л. Фотограмметрия и дистанционное зондирование / Обиралов, А., Лимонов, А., Гаврилова, Л. -М.: Колос, 2006 г. 334 с.

61. Папулис, А. Теория систем и преобразований в оптике / Папулис, А.. -

М.: Мир, 1971 г. 495 c.

62. Перл, И.А. Оптимизация систем ДЗЗ методами математического моделирования: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Перл, И.А. -НИУ ИТМО, 2011 г.

63. Першиков, В.И., Савинков, В.М. Толковый словарь по информатике / Першиков, В.И., Савинков, В.М. - М.: Издательство «Финансы и статистика», 1991 г. 543 c.

64. Петрищев, В.Ф. Оптимальная программа сканирования оптико-электронного телескопического комплекса дистанционного зондирования Земли // Труды Proceedings IIA. Международная Обиралов А., Лимонов А., Гаврилова Л. Фотограмметрия и дистанционное зондирование / Петрищев, В.Ф. - М.: Колос, 2006 г. С. 334.

65. Пожидаев, Г.В. Оптимизация выбора проектных решений в САПР ТП на основе нечетких моделей химико-технологического процесса: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Пожидаев, Г.В. - Воронежский институт высоких технологий, 2005 г.

66. Поршнев, В. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MATLAB / Поршнев, В. - М.: Лань, 2011 г.

67. Прокушев, Ю.А. Совершенствование методов энергетических расчетов электротранспортного комплекса: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Прокушев, Ю.А. - Новосибирский государственный технический университет, 2004 г.

68. Прэтт, У. Цифровая обработка изображений / Прэтт, У. - Пер. с англ. -М.: Мир, 1982 г. Кн. 1. с ил. 312 с.

69. Прэтт У. Цифровая обработка изображений / Прэтт, У. - Пер. с англ. -М.: Мир, 1982 г. Кн. 2. с ил. 480 с.

70. Путилин, А.Б., Юрагов, Е.А. Компонентное моделирование и программирование на языке UML. Практическое руководство по проектированию информационно-измерительных систем. Серия: Проектирование и моделирование /

Путилин, А.Б., Юрагов, Е.А. - М.: НТ Пресс, 2GG5 г. 664 c.

71. Рыжиков, С. Классический опыт Галилея в век цифровой техники. Численное моделирование и лабораторный эксперимент / Рыжиков, С. -М.: МЦНМО, 2GGS г.

72. Савицкий, А.М., Сокольский, М.Н. Космический телескоп нового поколения для ДЗЗ / Савицкий, А.М., Сокольский, М.Н. //Тезисы докладов VII научно-технической конференции СНМ ДЗЗ. Москва, 2G1G г, С. 61.

73. Самарский, А.А., Михайлов, А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры / Самарский, А.А., Михайлов, А.П. - 2-е изд., испр. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2GG5 г. 32G c. - ^N 5-9221-0120-Х.

74. Советов, Б.Я., Яковлев, С.А. Моделирование систем. 7-е изд. Учебник для бакалавров / Советов, Б.Я., Яковлев, С.А. - М.: ЮРАЙТ-ИЗДАТ, 2G11 г.

75. Тартынский, В.А. Разработка автоматизированной системы управления с поддержкой принятия решений в комплексах горочной автоматизации: диссертация на соискание ученой степени к.т.н. / Тартынский, В.А. -РОСЖЕЛДОР, 2G1G г.

76. Торшина, И.П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации / Торшина, И.П. - М.: Университетская книга; Логос, 2GG9 г. 24S c.

77. Трифонова, Т., Мищенко, Н., Краснощеков, А. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях / Трифонова, Т., Мищенко, Н., Краснощеков, А. - М.: Академический проект, 2GG5 г. 352 c.

7S. Утепбергенов И.Т., Хомоненко А.Д. Базы данных в информационных системах. / Утепбергенов И.Т., Хомоненко А.Д. - Учебник. Алматы: «Экономика» , 2G13. - 54G с.

79. John, R Jensen. Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective (2nd Edition) / John, R Jensen. - М .: Prentice Hall, 2GG6.

SG. Thomas, Lillesand, Ralph, W. Kiefer, Jonathan, Chipman. Remote Sensing

and Image Interpretation / Thomas, Lillesand, Ralph, W. Kiefer, Jonathan, Chipman. -М .: Wiley, 2007.

81. Andrew, N. Rencz, Robert, A. Ryerson. Manual of Remote Sensing, Remote Sensing for the Earth Sciences (Manual of Remote Sensing - Third Edition) / Andrew, N. Rencz, Robert, A. Ryerson. - Volume 3. - М .: Wiley.

82. Herbert, Praehofer, Tag, Gon Kim. Theory of Modeling and Simulation, Second Edition / Herbert, Praehofer, Tag, Gon Kim. - М .: Academic Press, 2000.

83. Jan, Pukite, Paul, Pukite. Modeling for Reliability Analysis: Markov Modeling for Reliability, Maintainability, Safety, and Supportability Analyses of Complex Systems (IEEE on Engineering of Complex Computer Systems) / Jan, Pukite, Paul, Pukite - М .: Wiley-IEEE Press, 1998.

84. Louis, G. Birta, Gilbert, Arbez. Modelling and Simulation: Exploring Dynamic System Behaviour / Louis, G. Birta, Gilbert, Arbez. - М .: Springer, 2007.

85. URL://astronomy.net.ua/thermosphere.html.

86. URL://moveinfo.ru/data/earth/atmosphere.

87. URL://wikipedia.org/wiki/Drag-and-drop.