Моделювання та дослідження передавальних характеристик космічних знімальних систем

Abstract

Актуальність дисертаційного дослідження обумовлена необхідністю визначення дійсного просторового розрізнення з урахуванням впливу внутрішніх та зовнішніх чинників на якість космічних зображень. З метою визначення дійсного просторового розрізнення виконано математичне моделювання функції передавання модуляції з урахуванням впливу основних чинників і функції порогового контрасту. Обчислене просторове розрізнення в 1,2-1,5 рази нижче порівняно із аналогічним значенням, поданим виробниками знімальної апаратури. Домінантний вплив на якість зображення має стан атмосфери, зокрема її аерозольна складова. В роботі досліджено два методи врахування впливу атмосфери: на підставі стандартних моделей; використання вегетаційних індексів, стійких до впливу атмосфери. Запропоновано та реалізовано метод врахування аерозольної складової, який не потребує відомостей про стан атмосфери. Метод базується на побудові «темного каналу» зображення, визначенні коефіцієнта пропускання атмосфери, усуненні артефактів та обчисленні відновленого зображення. Для досліджень різних методів впливу атмосфери використано космічні знімки таких супутників ДЗЗ: QuickBird-2, Ikonos-2, WorldView-2, Landsat-8, Pleiades-1. Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью определения действительного пространственного разрешения с учетом влияния различных внешних и внутренних факторов на качество космических изображений. С целью получения действительного пространственного разрешения проведено математическое моделирование определения функции передачи модуляции с учетом влияния основных факторов. Вычисленное пространственное разрешение в 1,2-1,5 раза ниже по сравнению с соответствующей величиной, представленной производителями съемочной аппаратуры. Преимущественное влияние на качество изображения оказывает состояние атмосферы, в частности ее аэрозольная составляющая. В работе исследованы два метода учета влияния атмосферы: базирующиеся на стандартных моделях; на использовании вегетационных индексов, устойчивых к воздействию атмосферы. Предложен и реализован метод учета аэрозольной составляющей, не требующий сведений о состоянии атмосферы. Метод включает построение «темного» канала изображения, определение коэффициента пропускания атмосферы, устранение артефактов и воспроизведение откорректированного изображения. Для исследований различных методов воздействия атмосферы на изображение использованы космические снимки следующих спутников ДЗЗ: QuickBird-2, Ikonos-2, WorldView-2, Landsat-8, Pleiades-1. The relevance of the dissertation is determined by necessity to compute the real spatial resolution taking into account the influence of internal and external factors on the quality of space images. The analysis of special literature reveals that the manufacturers of satellite imaging systems declare the spatial resolution as a size of pixel projection on Earth surface. But real spatial resolution which is the most important characteristic concerning solution of applied tasks and selection of proper cartographic scales depends on: atmosphere turbulence, image shift, discrete sensor structure, residual defocusing, and diffraction. Theoretical issues related to the quality estimation of aerospace information are considered in the paper. The analysis of the special literature shows that the fundamental characteristic of the design and quality evaluation of the imaging systems is Fourier transformation normalized amplitude of point transfer function –modulation transfer function (MTF). The advantage of this function is the ability to take into account the influence of different factors on the image quality. The mathematic modeling of modulation transfer function taking in to account the influences of main factors together with threshold modulation function was performed to determine the real spatial resolution. This value is the key factor to establish proper cartographic scales. The results of resolution computation for satellite images of different imaging systems reveal that the effect of the optical transmission system, residual defocusing, diffraction, discrete sensor and atmosphere influence can in 1,2-1,5 times, and for systems with large denominators of relative aperture, even up to 1,8 times decrease the spatial resolution of satellite images compared to the same values given by manufacturers of appropriate imaging systems. A dominant effect on image quality has an atmosphere state, including its aerosol component. In this manuscript two methods which allow taking into account the influence of the atmosphere on satellite images are considered: based on standard models; using vegetation indices resistant to the atmosphere influences. The method allowing to remove the aerosol component from satellite image that does not require information about the state of the atmosphere proposed and implemented. The method is based on construction of a "dark" image channel, determining the transmittance of the atmosphere, eliminating artifacts and computing the restored image. Satellite images of such satellites remote sensing as QuickBird-2, Ikonos-2, WorldView-2, Landsat-8, Pleiades-1 was used for different atmosphere influence methods researches. Analysis of histograms and medium gradients of restored images shows the effectiveness of the proposed method.