Топ 10 вопросов

Гиперспектральная аэрофотосъемка

01 - Для чего предназначена гиперспектральная аэрофотосъемка?

Любой материал, который можно обнаружить прямо или косвенно на основе его спектральных характеристик, можно нанести на карту с помощью бортовой гиперспектральной камеры. Суть гиперспектральной аэрофотосъемки заключается в создании карты объектов изучаемой территории, земной или водной поверхности. Положение датчика в воздухе над поверхностью дает вам выгодную точку для поиска этих объектов, видов растений и т. д. с гораздо большей площади, чем та, что сразу видна на земле — это могут быть даже сотни квадратных километров за время, ограниченные только высотой и затраченным на полет временем.

Представьте, что вы плывете по реке в лодке, и вам поручено оценить наличие в этом районе конкретных видов растений, представляющих интерес (красный цвет). Насколько точную ситуационную осведомленность о количестве интересующих растений вы ожидаете по сравнению с реальной ситуацией, видимой на изображении выше? (Изображение предоставлено SpecTIR LLC)

В то время как бортовые датчики обычно создают подробные геометрические модели (лидар) или изображения для интерпретации человеком (мультиспектральные камеры, SAR), гиперспектральные датчики формируют данные, которые анализируются в тематическую карту материальных объектов. Представьте себе – вы можете находиться на высоте нескольких километров в воздухе, разгоняясь на сотни километров в час, и при этом создавать точную карту материалов, минералов или видов растений в вашем районе съемки. Никакая другая технология пассивной визуализации не может этого сделать!



02 - Чем она отличается от мультиспектральной аэрофотосъемки?

«Мультиспектральный» – один из наиболее запутанных и неправильно используемых обобщающих терминов, используемых в дистанционном зондировании. Мультиспектральные датчики обычно имеют 3-5 широких спектральных каналов с промежутками между ними, в зависимости от того, для каких целей предназначен мультиспектральный датчик. Давайте вспомним, что даже обычная цифровая камера, расположенная в каждом смартфоне, представляет собой мультиспектральный датчик с 3 спектральными каналами. Таким образом, «мультиспектральный» может означать практически все, что угодно, от обычной потребительской камеры до изображений, специфичных для конкретных задач.

По определению, гиперспектральная съемка формирует сотни смежных узких спектральных каналов. Это означает, что между каналами нет «промежутков». Гиперспектральное изображение означает гораздо более узкие полосы, чем при мультиспектральной съемке.

Для пользователя это означает, что с помощью гиперспектральной съемки можно различать материалы (минералы, растения и т.д.) с гораздо меньшей спектральной разницей благодаря гораздо более высокой спектральной точности. Выражаясь языком непрофессионала, с помощью мультиспектральной съемки вы можете, например, определить, есть ли в этом районе растительность и в лучшем случае понять широкие классы (лиственные/хвойные, зерновые/незерновые и т.д.). С помощью гиперспектральной съемки вы можете определить, виды растительности, и, более того, испытывают ли эти растения стресс, а и иногда даже причину стресса. Мультиспектральной съемки может быть достаточно, чтобы отличить асфальт от гравия или бетона, но для того, чтобы определить, сколько лет асфальту и каков состав его материала, вам нужно больше более узких каналов, предоставляемых гиперспектральной съемкой. Только гиперспектральный датчик может отличить минералы, которые важны для геологов, но которые демонстрируют настолько незначительные спектральные различия, что мультиспектральный датчик не в состоянии отличить их друг от друга.

Карта классификации земель с задачей разделения крыш и дороги слева, мультиспектральное изображение RGB справа.
(Аналитическая работа предоставлена Dr. Kati Laakso)

Мультиспектральное изображение обычно представляет собой снимок, интерпретируемый человеческим глазом. Гиперспектральное изображение представляет собой количественный набор данных, а не просто изображение. Хотя конечным результатом может быть изображение, подобное тематической карте, или предупреждение об обнаружении на экране оператора, это конечный результат алгоритма, основанного на анализе данных. И он изображает явления, которые нельзя было бы обнаружить с меньшими или более широкими спектральными полосами. Гиперспектральные данные — это больше эмпирические «большие данные». Следует ли считать их разреженными или плотными, зависит от точки зрения.


03 - Правильно ли ортотрансформированы пиксели?

При наличии цифровой модели местности – ЦММ (DSM) программное обеспечение предварительной обработки Specim CaliGeoPRO вычисляет точное расстояние между датчиком – узловой точкой центральной проекции – и каждым пикселем изображения. Конечным результатом является изображение, в котором устранены ошибки параллакса из-за разницы высот, т.е. пиксели сдвинуты в их правильные местоположения, чтобы полученное изображение можно было использовать в качестве карты, где направления, расстояния и координаты для каждого пикселя верны. Если ЦММ недоступна, для устранения ошибок параллакса земной поверхности можно использовать грубую ЦММ (свободно распространяемую). Это, конечно, по-прежнему оставит ошибки параллакса для всего, что находится на поверхности, но это все же лучше, чем использование только модели плоской земли, особенно на холмистой местности.

Давайте рассмотрим пример важности ЦММ по сравнению с присвоением всего одного значения высоты всему изображению. Градирни тепловой электростанции высотой 115 метров были сняты камерой SPECIM AisaFENIX.

Градирни были симметричными, то есть их основания, и устья были идеально круглыми. Когда было задано расстояние до оснований башен, основания были круглыми, но устья были неправильно овальными, что означает, что у них есть ошибка параллакса и, следовательно, также неправильные геокоординаты.

Когда было указано расстояние до устьев башен, они были круглыми, но основания башен, в свою очередь, были овальными, что означало, что ошибка параллакса переместилась туда.

Эта простая геометрия и объясняет ошибки географической привязки при использовании только модели плоской земли. Требуется коррекция истинной ортогональности, и ЦММ является ключевой, потому что с помощью ЦММ можно рассчитать точное расстояние до каждой точки изображения, будь то наземные объекты, деревья или искусственные сооружения, такие как охлаждающие башни, используемые в примере.

Слева: основания правильно круглые – устья неправильно овальные
Справа: Устья правильно круглые – основания неправильно овальные.

Также обратите внимание на разницу в ширине полосы двух разных результатов геопривязки этого набора данных.

04 - Что следует знать о креплениях бортовых датчиков?

Основным отличием от наземного использования гиперспектральных датчиков является необходимость геопривязки пикселей изображения, чаще всего с использованием навигационных датчиков - GNSS / инерциальной системы - IMU. Одна из первых вещей, которые надо сделать, - это определить требуемую минимальную точность географической привязки по сравнению со стоимостью покупки соответствующей системы позиционирования. Как правило, точность ГИС составляет метры, точность съемки – сантиметры, а более высокая точность просто стоит дороже.

Приемнику GNSS, очевидно, нужна подходящая антенна или несколько, и эта антенна должна быть пригодна для использования в воздухе. Установка IMU должна быть жесткой с датчиком, между датчиком IMU и камерой не должно быть демпфирующих элементов или гибких конструкций по очевидным причинам. Частоту обновления IMU следует выбирать с учетом ожидаемого профиля вибрации.

Как правило, вибрации вертолетного типа требуют частоты обновления 200 Гц или выше. Если частота обновления слишком низкая, вибрация платформы приведет к появлению волнистости изображения.

Вам также нужна воздушная система крепления. Есть несколько различных вариантов, в основном в зависимости от доступного летательного аппарата. Несмотря на то, что система крепления часто упускается из виду, она является одним из ключевых факторов успеха аэрофотосъемки, поскольку неудовлетворительный монтаж снижает качество данных.

Неправильное крепление может привести к выходу датчика из строя, например, при сильном морозе, а в крайних случаях даже к повреждению датчика из-за высоких ударных нагрузок или просачивания воды. Монтаж также должен предотвращать попадание масла или воды на оптику датчика. Моторные и/или гидравлические масла часто в небольших количествах текут по днищу фюзеляжа, если их регулярно не проверять. Существуют и другие сложности, связанные с герметичными окнами, такие как запотевание, нанесение покрытий, старение и калибровка.

Примеры «вертолётного виляния» от двух разных вертолётных установок. То, что мы видим на этих изображениях, — это ошибка геопривязки, вызванная неконтролируемой вибрацией платформы. Это происходит, когда скорость измерения IMU меньше, чем частота, с которой вибрирует датчик.

В отсутствие высокочастотного IMU монтаж должен быть как минимум с гашением вибрации и, если возможно, также с гиростабилизацией, чтобы свести вибрацию датчика к минимуму.

Идеально демпфированный и стабилизированный датчик вообще не обязательно нуждается в IMU.

Жесткий монтаж

Это наиболее распространенный метод, который хорошо работает, когда платформа устойчива и не слишком сильно вибрирует по сравнению с весом датчика и рычагами между креплениями. Обратите внимание, что датчики образцов в значительной степени нечувствительны к вибрации, поскольку они имеют минимальное количество движущихся частей, но, как и в случае с любыми датчиками изображения, вибрация снижает качество изображения.

Жестко установленная SPECIM AisaFENIX.

Виброгасящий монтаж

Обычно основывается на силиконовых или пружинных демпфирующих элементах вокруг центра тяжести датчика. Используется для улучшения качества изображения и защиты датчика от ударов при приземлении. Требуется правильное определение размеров по всей огибающей вибрации платформе, чтобы избежать резонанса и худших результатов, чем без демпфирования. Существуют большие различия в профиле вибрации в зависимости от используемого летательного аппарата.

Тепловой гиперспектральный датчик SPECIM AisaOWL, установленный на вертолете с использованием силиконовых виброгасящих элементов. Обратите внимание, как комбинированный вес двух датчиков используется для содействия пассивному демпфированию, как демпфирующие элементы распределяются по большой площади с использованием устройства "демпфирующий пол" и как используются дополнительные свинцовые грузы для корректировки центра тяжести амортизируемого веса.

Гиростабилизированный монтаж

Датчик удерживается, указывая на надир и направление движения, несмотря на вращение платформы. Может включать или не включать демпфирование вибрации. Используется для улучшения качества изображения и эффективности съемки, особенно когда летательный аппарат нестабилен (опять же, как все беспилотники и пилотируемые винтокрылые летательные аппараты) или летит на малых высотах, где воздух более турбулентный. Рекомендуется использовать крепление, собирающее мгновенные углы поворота для коррекции эксцентриситета антенны. Кроме того, выгодно использовать гиростабилизированную модель крепления, которая поддерживает используемые системы GNSS / IMU и систему управления полетом - FMS. Поддержка GNSS/IMU означает принятие помощи по выравниванию от IMU, а поддержка FMS означает принятие команд коррекции дрейфа и переключения режимов на различных этапах съемочного полета.

AisaFENIX установлен на гиростабилизированном креплении.

Крепление башни

Для сканирования с отклонением от надира, увеличение поля зрения за счет движения сканирования, гиростабилизации или всего этого. Иногда сертификат на модификацию летательного аппарата STC уже позволяет монтировать определенные типы башни, что делает его предпочтительным вариантом установки.

Крепление контейнера

Используется для защиты датчика от окружающей среды, когда полезная нагрузка должна быть подвешена за пределами планера из-за отсутствия подходящих отверстий в фюзеляже. Блок представляет собой сертифицированный корпус с монтажом, в соответствии с STC – сертификатом на модернизацию воздушного судна. Обычно он жестко крепится к точке подвески, поэтому внутри гондолы необходимо предусмотреть возможное гашение вибрации или гиростабилизацию.

Сравнение негиростабилизированных (слева) и гиростабилизированных изображений AisaFENIX (справа). Оба набора данных не подвергались геопривязке, но на правом изображении высококачественная гиростабилизирующая камера устраняет волнистость, вызванную движениями самолета по крену, тангажу и рысканию.

Носовая часть DA42MPP с AisaFENIX, установленная на гиростабилизированном креплении камеры.

Источник питания

Источник питания воздушного судна, разумеется, должен быть достаточным для работы съемочной системы. Нагрузка может варьироваться в зависимости от температуры окружающей среды, и, как правило, в жарких условиях требуется большая мощность. Это связано с тем, что датчики AISA стабилизированы по температуре, то есть охлаждаются или нагреваются в зависимости от температуры окружающей среды.

Обратите внимание, что небольшие самолеты общего назначения или беспилотники часто не имеют достаточного питания генератора в стандартной комплектации, требуя отдельного питания от батареи для датчика.


05 - Что самое сложное я должен обдумать при планировании проекта гиперспектральной аэрофотосъемки?

Погода является препятствием номер один при любой аэрофотосъемке с использованием пассивных датчиков дневного света. В то время как возможности охватить большие территории за короткий промежуток времени огромны, окно возможностей для сбора данных о погоде обычно ограничено или очень ограничено, и если оно будет упущено, до следующего могут пройти недели или месяцы. Поэтому обследования должны разрабатываться с учетом приоритета использования каждой отдельной возможности погоды в кратчайшие сроки, в выходные или праздничные дни, если это необходимо. Прежде всего, следует зарезервировать достаточное количество дней, поскольку прогнозы погоды сохраняют разумную точность только примерно на 3 дня вперед.

Основным ограничением погоды являются облака. Несмотря на возможность обработки гиперспектральных данных, собранных под облаком, соотношение сигнал-шум таких данных обычно недостаточен.

Лучшая аэрофотосъемка – это та, которая учитывает характер суточных кучевых / туманных / адвекционных облаков, приближающихся фронтальных системах и системах давления, а также способностью быстро и гибко реагировать на них, будучи готовой изменить план даже во время полета на основе наблюдений за погодой.

В общем, успех аэрофотосъемки зависит от качества используемой погодной тактики.

Соотношение сигнал-шум - SNR

В отличие от лабораторной спектроскопии, дистанционное зондирование с воздуха не может позволить себе роскошь искусственного освещения неограниченной интенсивности. Кроме того, у бортовых платформ обычно есть минимальные скорости полета, устанавливающие определенные ограничения на продолжительность экспозиции.

Разница между хорошим SNR (черный) и плохим SNR (красный).

Для дифференциации материалов, минералов и видов растений иногда с незначительными спектральными вариациями требуется хороший SNR. Это просто означает, что требуемые спектральные характеристики должны появляться над шумом. Хорошее отношение сигнал-шум требует времени экспозиции, достаточно длительного для отражающих свойств цели и условий освещения. Несмотря на то, что выбор экспозиции можно свободно выбирать в датчиках Specim в течение периода съемки кадра, максимально доступное время экспозиции ограничено скоростью, с которой собираются изображения с помощью датчика pushbroom. Эта скорость, называемая частотой кадров, определяется пространственным разрешением на местности - GSD и путевой скоростью летательного аппарата.

По аналогии с обычной фотографией, темная цель, такая как морская поверхность, требует длинной выдержки, а яркая цель, такая как пустыня, может работать с короткой выдержкой, более высокой частотой кадров и, следовательно, более высокой скоростью движения. В Specim мы считаем, что 300:1 является минимальным для «хорошего» отношения сигнал/шум. Главное помнить, что SNR не является фиксированным, но, помимо качества датчика, сильно зависит от планирования полета и эксплуатации.

Как правило, чем медленнее вы можете летать, тем лучше SNR.

Атмосферная коррекция

Чтобы обнаружение материала стало возможным, необходимо устранить эффекты, вносимые в данные датчиком, освещением и атмосферой. Эффекты датчика устраняются радиометрической обработкой с использованием радиометрической калибровки.

В отличие от лабораторной спектроскопии, где можно выполнить нормализацию белого эталона, при дистанционном зондировании с воздуха влияние атмосферы и освещения лучше всего устраняется с помощью программ коррекции атмосферы на основе алгоритмов, таких как FLAASH(-IR), QUAC, ACORN или ATCOR-4.

Однако атмосферная коррекция может потребоваться не всегда. Если целью является только сравнение спектральных вариаций в сцене без необходимости применения спектральных библиотек или временных сравнений, атмосферная коррекция может вообще не потребоваться. При необходимости перед съемкой следует выбрать метод атмосферной коррекции и подготовить необходимые вспомогательные данные, такие как характеристики датчика и цифровая модель поверхности. Даже самый лучший алгоритм атмосферной коррекции хорош настолько, насколько хороши качество и характеристики входных данных.

Разница между графиками обусловлена остаточным атмосферным влиянием после обработки коэффициента отражения. В этом примере следует переоценить методологию атмосферной коррекции.

Навигация

Аэрофотосъемка проводится по прямым «линиям полета», которые должны быть выполнены точно как по горизонтали, так и по вертикали. Кроме того, до линии обзора следует добираться с минимумом ценного летного времени, затрачиваемого на развороты между линиями.

Требования к точности, как правило, намного выше, чем то, что могут обеспечить стандартные авиационные навигационные приборы, потому что они предназначены для обнаружения местоположений размером с аэропорт. Должна применяться специально созданная система управления аэрофотосъемочным полетом (FMS). Об этом часто забывают, когда основное внимание сосредоточено на датчиках и их работе. Если проблема точной обзорной навигации остается на усмотрение пилота без надлежащей FMS или штурмана с навигатором, то съемка может оказаться совершенно невозможной и в лучшем случае некачественной. Даже если есть средства для навигации по линиям с использованием авиационных приборов с некоторой степенью точности, переходы с линии на линию, как правило, очень неэффективны, так что до 80-90% времени полета может быть потрачено впустую на выполнение разворотов между линиями. Хороший ход длится всего 2 минуты. Если нужно пролететь 60 линий, одна дополнительная минута, потраченная на каждый ход, означает один дополнительный час полета. Системы аэрофотосъемки FMS были разработаны, чтобы свести к минимуму время, затрачиваемое на развороты, и чтобы самолет с датчиком летал точно по плану.

06 - Каковы погодные требования для гиперспектральной съемки?

На съемочной площадке не должно быть облаков или их теней. Обратите внимание, что, особенно кучевые облака, часто следуют углам солнца, выбор минимального угла солнца обычно требует компромисса, если вообще нужно собирать какие-либо данные. Если требуется слишком большой угол солнца, погода становится более облачной, вплоть до нелетной в течение всего дневного периода, отведенного для съемки.

Частный случай: тепловое (LWIR) гиперспектральное изображение с использованием AisaOWL. Нет облаков ниже высоты съемки, но облака выше высоты съемки могут быть как полезными, так и вредными в зависимости от типа съемки. Теплая температура поверхности улучшает SNR.


07 - Как направление Солнца влияет на сбор данных при гиперспектральной аэрофотосъемке?

Солнце должно находиться выше 30-45 градусов над горизонтом. Это делается для того, чтобы включить процедуры коррекции атмосферы, уменьшить количество теней на снимке и обеспечить хорошую интенсивность освещения. Для этой задачи доступны калькуляторы угла наклона солнца.

Солнце также должно быть как можно ближе к/от направления полета, чтобы уменьшить влияние BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function. Изменение видимой освещенности в зависимости от угла обзора поверхности). Как правило, направления север/юг следует использовать отдельно от проектов картирования коридоров. Следует избегать линий полета, перпендикулярных солнцу.

Солнечные углы выше 90 градусов минус FOV/2 будут создавать горячие точки или менее контрастные и потенциально насыщенные пятна в данных. При работе вблизи экватора, возможно, придется избегать периода времени, когда солнце находится выше этого угла, в зависимости от требований к качеству изображения.

Большие углы солнца также вызывают зеркальные отражения на поверхности воды вблизи краев полосы, если направление полета слишком близко к перпендикулярному по отношению к солнцу. Может рассматриваться как ошибка планирования полета в отношении выравнивания линии полета по отношению к солнцу, поскольку эффекты BRDF в целом также будут значительными, если в данных присутствуют зеркальные отражения.

Опять же частный случай: тепловая (LWIR) гиперспектральная съемка с использованием AisaOWL. Не нуждается в освещении и может использоваться как днем, так и ночью, часто и то, и другое для содействия атмосферной коррекции. Тем не менее, при дневном свете LWIR, проводящий съемку в направлении солнца, создает асимметричное «потепление» с разных сторон объектов сцены, видимое как температурный «контраст».

08 - Какие параметры необходимо определить при планировании полета для гиперспектральной аэрофотосъемки?

Все планирование аэрофотосъемки начинается с четко определенного разграничения территории. После этого необходимо принять решение о сборе данных и уточнить минимальную воздушную скорость используемого летательного аппарата. С помощью этих начальных значений можно определить следующие параметры:

FPS

Или настройка количества кадров в секунду, используемая во время полета. Рассчитывается на основе высоты над землей и ожидаемой скорости движения по земле, чтобы создать квадрат вместо растянутых пикселей на земле. Значение наземной скорости должно быть минимальной практической скоростью полета, сообщаемой пилотом, плюс ожидаемая скорость ветра, обычно + 5 м/с работает как хорошее среднее значение.

Первоначальным предположением всегда является максимальное время экспозиции для наилучшего возможного соотношения сигнал-шум - SNR. Поэтому время экспозиции не нужно рассчитывать заранее, а только уменьшать в полете, если оператор наблюдает насыщение, а затем только насыщение на важных объектах с учетом целей проекта.

Точная высота полета над землей для удовлетворения требований к пространственному разрешению на земле

Обратите внимание, что в гористой местности минимальные и максимальные допуски GSD должны быть обсуждены и спланированы соответствующим образом, при необходимости разрезая линии полета и корректируя их индивидуальные высоты полета, чтобы поддерживать правильную высоту полета в среднем. Высота полета передается планировщику FMS для создания навигационных файлов FMS.

Интервал полета между линиями

Ширина полосы зависит от расстояния, на котором линии полета должны располагаться друг от друга, чтобы удовлетворить требование бокового перекрытия – обычно 30% при фиксированном креплении датчика и 20-25% при гиростабилизированном креплении датчика. Чем меньше боковое перекрытие, тем меньше линий полета для покрытия области и, следовательно, требуется меньше времени полета, но с повышенным риском разрывов между линиями полета. Зазоры особенно возможны на холмистой местности. Настоятельно рекомендуется использовать DEM/DSM для поддержки планирования полетов. Расстояние между линиями полета, как и высота над землей, также передается в FMS для создания навигационных файлов FMS, обычно состоящих из начальных и конечных координат каждой линии полета, включая высоту над землей и высоту полета на этой линии.


09 - Какая калибровка нужна бортовому гиперспектральному датчику?

По сравнению с лабораторными датчиками, бортовые гиперспектральные датчики имеют некоторые уникальные требования к калибровке.

Радиометрическая калибровка

Поскольку бортовой гиперспектральный датчик не может полагаться на наличие эталона белого цвета по всей полосе для нормализации значений световых характеристик пиксела - digital number - DN непосредственно к коэффициентам отражения, требуется двухэтапный процесс. Первым шагом является удаление эффектов датчика из данных и преобразование значений DN в физические значения измерения яркости на датчике. Это основано на калибровке датчика с использованием калиброванного источника света, облучающего датчик точно известным количеством света. Каждый пиксель получает калибровочный коэффициент, используемый для преобразования значений DN в излучение.

Расширенная спектральная калибровка

В принципе, это ничем не отличается для бортовых датчиков по сравнению с лабораторными датчиками, но процедуры атмосферной коррекции дополнительно требуют точного измерения спектрального разрешения в терминах Full-Width Half Maximum для каждой центральной длины волны. Форма кривой спектрального отклика также может быть измерена с максимальной точностью.

Геометрическая калибровка

Требуется для определения точного угла обзора для планирования полета, для устранения геометрических искажений в интересах географической привязки, а также для создания файла угла сканирования для удаления BRDF.

Калибровка линии визирования

Разница в положении между камерой и IMU. Цель состоит в том, чтобы иметь возможность считывать положение камеры по показаниям IMU. Поскольку невозможно установить IMU так, чтобы он имел такое же «нулевое» положение, как и главная ось датчика, углы коррекции направления должны быть рассчитаны на основе калибровочного полета.

Название «прицел» происходит от метода, с помощью которого прицелы артиллерийских орудий раньше регулировались, глядя на цель вниз по стволу, а затем проверяя, куда были направлены прицелы. Калибровка визирования датчика IMU выполняется по тому же принципу. При условии отсутствия чрезмерных ударов калибровка оси визирования остается неизменной до тех пор, пока IMU остается подключенным к камере.


10 - Какие летательные аппараты можно использовать для гиперспектральной съемки?

Можно использовать любой носитель, способный поднять вес системы, но, как правило, чем медленнее носитель, тем лучше.

Некоторые очень общие плюсы и минусы различных воздушных носителей.


Пилотируемый самолет с неподвижным крылом

Плюсы:

• Быстрота при длительном сроке службы, что приравнивается к высокой эффективности миссии, особенно в крупных проектах или когда несколько проектов разбросаны по большой географической территории.
• Большая максимальная высота.
• Более стабильный и менее вибрирующий, чем винтокрылый летательный аппарат.
• Многочисленные по всему миру, с хорошо отлаженными процедурами и средствами поддержки.
• Превосходный уровень технической безопасности по сравнению с другими бортовыми платформами, за исключением LTA.
• Дешевле в расчете на час полета, чем сопоставимые пилотируемые вертолеты.
• Доступ практически к любому воздушному пространству в мире сверх местных минимумов за счет использования установленных процедур использования воздушного пространства.

Минусы:

• Есть минимальная скорость, чем выше, тем быстрее самолет. Это ограничивает наименьшее достижимое расстояние дискретизации земли (GSD) и отношение сигнал/шум (SNR).
• Нужны аэродромы для взлета и посадки.

Винтокрылые пилотируемые летательные аппараты (вертолеты)

Плюсы:

• Меньшие минимальные скорости на высоте по сравнению с самолетами с неподвижным крылом, с соответствующими преимуществами для минимально достижимых GSD и SNR.
• Не требуют фиксированных аэропортов для взлета и посадки.

Минусы:

• Нестабильность по всем осям со сложным профилем вибрации с высокой амплитудой
• Более дорогой полетный час по сравнению с сопоставимым неподвижным крылом из-за высокой механической сложности (за исключением автожиров).
• Медленный с малым радиусом действия.
• Несмотря на то, что они могут летать медленно, они все же не могут двигаться ниже определенной скорости на высоте.
• Низкая максимальная высота.

VTOL RPAS (дистанционно-пилотируемые беспилотные системы вертикального взлета и посадки)

Плюсы:

• Гибкость в отношении места взлета и посадки.
• У них нет минимальной скорости, что приравнивается к отсутствию минимума для GSD.

Минусы:

• Низкая выносливость
• Вибрация
• Плохие показатели безопасности полетов из-за присущей технической сложности в сочетании с зачастую низкотехнологичными компонентами.

Fixed wing RPAS (дистанционно-пилотируемые беспилотные системы с фиксированным крылом)

Плюсы:

• Долгая продолжительность полета.
• Высокая производительность по скорости и высоте.
• Повышенная безопасность по сравнению с VTOL RPAS.

Минусы:

• Для них требуется взлетно-посадочная полоса или устройства для запуска/восстановления с дополнительной сложностью и ограничениями.
• Вибрация при использовании двигателей внутреннего сгорания.

Пилотируемые/ беспилотные летательные аппараты легче воздуха: дирижабли, воздушные шары

Плюсы:

• Очень длительная продолжительность полета, измеряемая в днях, что делает их пригодными для длительного наблюдения.
• Могут медленно парить на любой высоте.

Минусы:

• Медленно с точки зрения охвата территорий проекта и перегонки между объектами съемки в рамках данной ежедневной погодной возможности.
• Строгие ограничения по ветру.
• Сложная и дорогостоящая заправка, хранение и транспортировка.

11 - Глоссарий

BRDF = Bidirectional Reflectance Distribution Function. Изменение видимой освещенности в зависимости от угла обзора поверхности.

DEM = Digital Elevation Model = модель поверхности земли без деревьев, домов и т.д. В терминах лидара поверхность последнего импульса.

DSM = Digital Surface Model = модель поверхности земли, включая верхушки деревьев и искусственные объекты, такие как дома, мосты и т.д. В терминах лидара, поверхность первого импульса.

DTM = Digital Terrain Model. Может считаться скорректированной вручную DEM где среди прочего, выделены линейные объекты в модели голой земли.

FOG = Fibre Optic Gyro, гироскоп, в котором определение движения основано на перемещении света на большое расстояние в волоконно-оптической катушке. Чрезвычайно точный, но тяжелее и намного дороже, чем гироскопы MEMS..

FOV = Field Of View. Угол раскрытия переднего объектива.

FMS = Flight Management System. Здесь навигационная система аэрофотосъемки. Используется для наведения летательного аппарата в заранее запланированное положение.

FPS = Frames Per Second. Скорость съемки гиперспектрального датчика.

GIS = Geographic Information System. Обычно это база данных, содержащая пространственную информацию для различных исследований окружающей среды или городского планирования.

GNSS = Global Navigation Satellite System. Система, способная рассчитывать решения для позиционирования на основе не только GPS, но и ГЛОНАСС, Galileo и/или BeiDou. По сравнению с системой, использующей только GPS, дополнительные спутники, такие как спутники ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou, повышают точность.

GSD = Ground Sampling Distance, также известное как наземное или пространственное разрешение.

IMU = Inertial measurement Unit. Инерциальная система стабилизации.

LiDAR = Light Detection and Ranging. Система, которая использует лазерный луч для измерения расстояний и создания 3D-карты объекта.

LWIR = Long Wave Infrared, тепловая инфракрасная область спектра.

MEMS gyro = гироскоп, основанный на вибрирующем элементе, обычно пьезоэлектрическом. Дешевле и меньше, чем FOG, но также менее точны.

NRT = Near Real Time. Гиперспектральная сенсорная система почти в реальном времени, способная обрабатывать данные сразу после сбора за промежуток времени от доли секунды до нескольких минут.

RPAS = Remotely Piloted Aerial System. Дистанционно пилотируемая воздушная система. Слабо синонимичное, но более точное определение тому, что мы привыкли называть беспилотным летательным аппаратом, из-за того факта, что беспилотный летательный аппарат никогда не бывает по-настоящему "беспилотным", за исключением случаев, когда он полностью автономен, что все еще настолько редко, что это практически несуществующее понятие. В настоящее время в операции всегда участвует человек, даже если он останется на месте, наблюдая за операцией. RPAS - это летательный аппарат, в котором пилот остается на земле, в то время как полностью автономное транспортное средство – это робот, который не требует вмешательства человека.

Это важное различие с точки зрения, особенно регулирующих органов.

SNR = Signal to Noise Ratio. Отношение сигнал / шум

STC = Supplemental Type Certificate. Разрешенный способ модификации летательного аппарата.

VTOL = Vertical Take Off and Landing. Как правило, вертолет или мультиротор.



Об авторе

Petri Nygrén

Опытный специалист в области исследовательских полетов.

Бывший менеджер линейки гиперспектральных продуктов Specim Oy Ltd, включая исследования и разработки, производство, испытательные полеты, поддержку, маркетинг и продажи.