География и геология/5.Картография и геоинформатика
Деркач А.А.
Национальный авиационный университет
Спутниковые ПЗС снимки
Основной продукт космического мониторинга — снимок. Спутниковый снимок — это двумерное
изображение, полученное в результате дистанционной регистрации
техническими средствами собственного или отраженного излучения
и предназначаемое для обнаружения, качественного и количественного
изучения объектов, явлений и процессов путем дешифрирования, измерения
и картографирования.
Термин ПЗС в нашей научной
терминологии расшифровывается как Прибор с Зарядовой Связью -
своеобразный перевод английского CCD (Charged Coupled Device).
Впервые принцип работы ПЗС с идеей
сохранять и затем считывать электронные заряды был разработан двумя
сотрудниками известной телефонной корпорации Bell в конце 60-х годов в ходе
поиска возможных новых типов памяти для ЭВМ, способных заменить память на
ферритовых кольцах. Эта идея оказалась неперспективной, но способность кремния
реагировать на видимый свет позволила использовать этот принцип для получения и обработки изображений
светящихся объектов.
Астрономы были одними из первых, кто распознал экстраординарные способности ПЗС
для регистрации изображений. В 1972 году группа исследователей из JPL
(Лаборатория Реактивного Движения, США) основала программу развития ПЗС для
астрономии и космических исследований. Три года спустя, совместно с учеными
Аризонского университета, эта команда получила первое астрономическое ПЗС
изображение. На снимке Урана в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью
полутораметрового телескопа были обнаружены темные пятна возле южного полюса
планеты , свидетельствующие о наличии там метана ...
Принцип
работы.
Стандартный ПЗС - это сложная радиоэлектронная микросхема, на
поверхности которой вы можете увидеть небольшое окошечко, представляющее из
себя двумерную матрицу из очень маленьких прямоугольных детекторов света,
называемых пикселами. Каждый пиксел работает как копилка для электронов.
Электроны возникают в пикселах под действием световых квантов (фотонов),
пришедших от источника. Во время экспозиции каждый пиксел постепенно
заполняется электронами пропорционально количеству попавшего в него света. По
окончании съемки электронные заряды, накопленные каждым пикселом, измеряются.
Вся эта непростая технология может быть наглядно проиллюстрирована с помощью
элегантной аналогии, предложенной Джеромом Кристианом (институт Карнеги в Вашингтоне).
После экспонирования (засветки от
исследуемых источников света) электронная схема обработки сигналов
создает внутри кристалла матрицы сложное электрическое поле, которое начинает сдвигать столбцы с накопленными в пикселах
электронами к краю матрицы, где находится аналогичный измерительный
столбец, заряды которого сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и попадают
на измерительный элемент, создавая в нем
микротоки, пропорциональные этим зарядам. Таким образом для каждого
последующего момента времени мы можем получить значение накопленного
заряда и сообразить какому пикселу на матрице (номер строки и номер столбца) он
соответствует. Обычно этим занимается компьютер.
Основные
характеристики ПЗС: Одним из основных параметров матрицы является,
так называемая, квантовая эффективность. Уже само это название отражает
эффективность преобразования поглощенных фотонов (квантов) в
фотоэлектроны и сродни фотографическому понятию светочувствительности.
Поскольку энергия световых квантов
зависит от их цвета (длины волны), невозможно однозначно определить сколько
электронов родится в пикселе матрицы при поглощении им, например, потока из
ста разнородных фотонов. Поэтому квантовая эффективность обычно дается в
паспорте на матрицу как функция от длины волны и на отдельных участках спектра
может достигать 80%. Это гораздо больше, чем у фотоэмульсии или глаза
(примерно 1%).
Чем больше размеры пиксела, тем больше фотоэлектронов он может накопить до
насыщения (переполнения). Несмотря на то, что большие пикселы ухудшают
разрешающую способность, с ними можно получить гораздо больший диапазон
яркостей, что немаловажно при съемке объектов с большим перепадом поверхностной
яркости с нормальной проработкой деталей в светах и тенях (туманности,
галактики, кометы и т.п.,).
Шумы и
как с ними бороться.
Нижний предел обнаружения объекта
на ПЗС зависит от уровня шумов, как случайных, так и производимых самой
матрицей. Если ваша матрица производит больше электронов за счет своих
внутренних свойств, чем производят фотоны от исследуемого объекта, то, образно
говоря, полезный сигнал "утонет в шуме" и ни одна, даже самая
современная программа не позволит вам получить качественное изображение
исследуемого объекта.
Существует множество источников шумов: в основном это термоэлектроны
производимые самой матрицей и шумы считывания, возникающие при перемещении
зарядов по матрице. К этим обычным источникам можно добавить множество
экзотических, таких как возможные радиочастотные наводки от всевозможных
окружающих проводов, включения и выключения различных приборов, и даже
регистрацию космических лучей! Нас интересует только один род шумов - сигналы
от изучаемых вами объектов.
Темновой шум это результат генерации термоэлектронов самими пикселами ПЗС
матрицы за время экспозиции. Количество возникших электронов
зависит от двух основных параметров: продолжительности экспозиции и температуры матрицы.
Охлаждение матрицы - один из
эффективных способов уменьшить тепловые шумы. Снижение температуры кристалла всего на 8 градусов уменьшает количество
теплоэлектронов вдвое! Современные астрономические ПЗС снабжены встроенным
твердотельным электрическим холодильником на эффекте Пельте. А небольшой
терморезистор, укрепленный с обратной стороны кристалла, позволяет управлять
электронной схемой, поддерживающей температуру матрицы, с точностью до 0.1 градуса и фиксировать эту
температуру на мониторе компьютера и в сохраняемом изображении.
Практика съемки заключается в
получении темнового фрагмента с такой же длительностью и температурой, с какими
будет производится съемка объекта. Охлаждение матрицы может настолько уменьшить
производство термоэлектронов, что становятся доступными очень длительные экспозиции
(до 1 часа и более!), в то время как у большинства матриц при комнатной
температуре пикселы заполняются такими теплоэлектронами уже за несколько секуд
даже при отсутствии засветки!
ПЗС и
фотометрия.
Применимость
ПЗС для фотометрии оказалась поистине уникальной. Во-первых, это двумерный приемник, и одновременно с исследуемым
объектом вы получаете изображения множества окружающих звезд пригодные
для калибровки снимка. Далее, поскольку матрица
изготовлена на основе достаточно прочного кремниевого кристалла, ее временные
параметры достаточно стабильны. Однажды прокалиброванная по наблюдениям
стандартных звезд с разными фильтрами, она надолго соответствует полученным
данным. Очень важна и линейность ПЗС: число
электронов накапливаемых в пикселе точно пропорционально числу пришедших
фотонов...
Несомненные удобства ПЗС для
фотометрии становятся очевидными в связи с возможностью учесть локальные
технологические неоднородности в чувствительности отдельных пикселов при
производстве матриц. Идея состоит в том, чтобы в рабочей комбинации матрица +
телескоп получить снимок равномерного серого поля ( это может быть просто лист
белой бумаги, освещенный рассеяным светом, или участок белесого сумеречного
неба без звезд ). В дальнейшем компьютер сможет учесть возникшие перепады
яркости по поверхности кадра и подкорректировать конечный снимок! Еще большим
преимуществом использования такого режима является возможность учесть ложные
фотометрические неоднородности изображения, вносимые самой оптической системой
телескопа.
Заключение.
Аэрокосмическое зондирование открыло
качественно новый этап в информационном обеспечении исследований в науках о Земле.
Аэрокосмические методы позволяют не
только распознавать в камеральных условиях объекты и явления по снимкам, но и
получать их количественные характеристики. В настоящее время они широко
применяются в различных науках географического цикла.
В 2007 году реализовалась
перспективная тенденция на орбите появился спутник, оборудованный
радиолокаторами бокового обзора нового поколения. Так, немецкий спутник
TerraSAR-Х несет радарную аппаратуру, позволяющую осуществлять всепогодную
съемку земной поверхности с пространственным разрешением до 1 метра, что дает
возможность решать задачи без ограничений по погоде и времени суток. Кроме
того, возможности интерферометрической обработки радиолокационных данных
позволят строить высокоточные цифровые модели рельефа и выявлять миллиметровые
подвижки на земной поверхности. Наибольший
интерес для решения задач картографирования представляют снимки КА ДЗЗ ALOS.
Космические данные ДДЗ уже
являются реальной геопространственной основой для построения сложнейших ГИС,
решения задач управления, администрирования, учета и хозяйствования, создания
кадастра и обновления топоосновы.
Очевидно, что дальнейшее развитие
экономики страны напрямую связано с наличием точной и достоверной информации о
территории Украины, что с ней происходит, как распоряжаются ее
природными, людскими и прочими ресурсами. Очевидна необходимость создания
системы использования современных технологий в интересах развития целых
отраслей народного хозяйства.
Литература: