Спутниковое картирование Земли: насколько близки мы к трехмерной геопространственной осведомленности

Спутниковые изображения играют ключевую роль в вопросах осведомленности и наблюдения за Землей. Даже простые двухмерные снимки предоставляют большой объем информации об исследуемом объекте, особенно если использовать дополнительные спектральные фильтры при конечной обработке оптического изображения.

Но время идет, и технология шагает с ним в ногу. Активное внедрение спутниковых созвездий и скачок в развитии автоматизированных систем на базе машинного обучения усилили потенциал дистанционного наблюдения за Землей, базирующийся преимущественно на получении плоских фотоснимков поверхности с их дальнейшей обработкой.

Сегодня выясняем, насколько близки мы к трехмерной спутниковой визуализации поверхности Земли в реальном времени, и какие преимущества она сулит человечеству. 

Типы сенсорного наблюдения

На самом деле оптическая спутниковая съемка — не единственный способ, которым удобно дистанционно зондировать Землю. Гораздо более широкий набор данных о наблюдаемом участке земной поверхности можно получить с помощью расширения диапазона электромагнитного сканирования.

Заметим, фотоснимок — всего лишь отпечаток фотонного излучения солнечного света, который попадает на оптический сенсор камеры, оставаясь на нем как мгновение. Но свет — это только видимая толика большого объема волновой энергии, окружающей нас во Вселенной. Более широкие возможности для сканирования открывает использование сканера в радио, микроволновом, инфракрасном, ультрафиолетовом, лазерном диапазоне и так далее.

На самом деле все эти методы по сути похожи друг на друга, ведь они работают по принципу дальномера. Так, сначала спутник посылает электромагнитный сигнал на поверхность Земли, сталкиваясь с которой, тот отражается и поступает обратно на приемный сенсор спутника. Измерение временной разницы, с которой тот или иной отраженный сигнал возвращается на сенсор спутника, помогает получить точную топографическую карту местности с учетом уровня высот.

Основным отличием в этих методологиях остается длина волны — некоторые из них, такие как фотонное излучение света, не способны проходить сквозь водяной пар или облака в атмосфере, другие же легко преодолевают барьер, отражаясь от более плотных структур (например, от земной поверхности). Именно микроволновое излучение спутников с синтезированной апертурой (SAR) позволяет проводить дистанционный мониторинг Земли даже в условиях облачности либо отсутствия солнечного освещения.

Такие спектральные изображения имеют смысл и в поле глобальных рынков, где точные данные о высоте местности чрезвычайно важны. Значительную бенефицию от использования 3D-моделей рельефа получат компании по разведке полезных ископаемых, глубинных залежей нефти и газа. Свое применение технология найдет и в строительном секторе, где точная топография местности необходима еще на этапе проектных работ.

Возможности спектральной 3D-визуализации

Некоторые новейшие методы спутникового сканирования обладают инструментами, позволяющими отойти от получения обычного 2D-изображения, предлагаемого оптической фотосъемкой. В частности, такие возможности имеет оптическая технология LiDAR (Light Detection and Ranging), которая, как и SAR, предоставила концептуально новое видение визуализации объекта сканирования.

Это видение основывалось на самом принципе действия технологии LiDAR: сначала лазерный сканер посылает короткие импульсные лучи, которые, отражаясь от сканируемой поверхности, возвращаются на приемную станцию. Подобно действию SAR, дистанция до объекта определяется промежутком времени, за который выпущенный лазерный луч возвращается на приемник. Только за один цикл излучения и приема на сенсор записывается в виде точек целое облако данных.

Конечная обработка этого кластера точек с помощью методов цифрового моделирования рельефа (DEM) дает довольно четкую картину всех тонкостей рельефа, причем значительно лучше той, которую демонстрирует подавляющее большинство оптических камер.

LiDAR и различные типы SAR-радаров позволили увидеть объекты на принципиально ином уровне восприятия. Это своеобразное «видение без зрения» также имело определенную возможность улучшения точности измерительных данных посредством повторных пролетов сканера над зоной интереса (сканирование местности под разным углом позволяло избавиться от слепых зон и усовершенствовать изображение с помощью DEM и других моделей).

Зона применения LiDAR-систем быстро расширилась — сегодня их можно встретить на самолетах, дронах, высотных стратостатах и спутниках. Использование лазеров вырвалось и за пределы исследования Земли. Технологию применили в оптической системе FASOR (Frequency addition source of optical radiation) — направленного космического лазера, с помощью которого Исследовательская лаборатория ВВС США (US Air Force Research Laboratory) проводит эксперименты по созданию искусственной “лазерной звезды направления”. 

Создание искусственного сияния «лазерной звезды направления» достигается путем направления лазера (или группы лазеров) в атмосферу. Лучи сходятся в одной точке пространства и образуют искусственное сияние. Такая искусственная звезда на ночном небе используется системами адаптивной оптики на больших расстояниях для создания эффекта искривления от света и лучшего фокуса на объектах глубокого космоса.

Впрочем, вернемся к возможностям картирования, которые открывают лидары и радары. Для картографирования ландшафта поверхности спутников, астероидов и планет Солнечной системы также используют спутниковые LiDAR и SAR-системы. Инновационный подход в создании трехмерной топографической осведомленности предлагается даже для будущих лунных миссий.

На базе технологии первого в мире 4D LiDAR Aeries ™ II (три пространственных измерения + время) от компании Aeva NASA разрабатывает картографический рюкзак Kinematic Navigation and Cartography Knapsack (KNaCK), оснащенный LiDAR-станцией. В режиме реального времени KNaCK способен предоставлять астронавту полную трехмерную карту окружающей его среды с помощью измерения доплеровского сдвига отраженного лазерного сигнала.

Это достигается за счет того, что 4D LiDAR от Aeva посылает лазер с частотно-модулированной непрерывной волной (FMCW), то есть, способен обновлять информацию об окружающей среде с ничтожной задержкой во времени. Это очень пригодится при использовании станции во внеземных условиях, где отсутствует GPS или GNSS-покрытие.

Итак, радары, лидары и другие типы сенсоров хорошо зарекомендовали себя для первичного измерения топологии высот поверхности. Оперируя в своих зонах ответственности, эти спутники постепенно обновляют высотные данные, которые затем усиливают дополнительными наблюдениями с Земли. Так создаются основные базы данных высот земной поверхности, многие из которых сегодня можно найти в открытом доступе.

Но настоящая магия начинается на этапе построения объемной трехмерной модели наблюдаемой зоны, которая комбинирует в себе высотные данные о поверхности и оптические спутниковые фотоснимки разного разрешения.

Дополнительное измерение для фотоизображений

Вы, вероятно, знакомы с такими сервисами, как Google Earth, где пользователю предоставляется доступ к миллионам спутниковых и аэрофотоснимков Земли, которые при масштабировании можно просматривать в полноценном 3D. Это становится возможным благодаря использованию сложных цифровых моделей рельефа (DEM), чьи алгоритмы дают полную трехмерную карту ландшафта, основанную на данных спутникового наблюдения.

При создании цифровой модели рельефа используется сразу несколько методов, некоторые из которых базируются на явлении стереоскопии — искусственного углубления обычного 2D-изображения. Существующие системы на базе искусственного интеллекта (ИИ) способны сделать полностью трехмерную модель, опираясь исключительно на спутниковые снимки и актуальные данные о высотах участка, выбранного для цифрового моделирования. Отметим, что на это были способны и DEM предыдущих генераций, однако с существенным привлечением человеческого ресурса в процесс моделирования и со значительно большими затратами времени.

Кроме роста фактора систем ИИ, еще одним обстоятельством, позволяющим повысить скорость обновления информации, является использование спутниковых созвездий целевого назначения. Спутники, работающие в пределах своей группировки, способны сосредотачиваться на одной зоне интереса и осуществлять сканирование объектов под разными углами наклона сенсора к поверхности Земли. Это прогнозируемо предоставляет больше информации относительно уровня высот и других топологических особенностей рельефа. Спутниковые созвездия также значительно расширяют свою зону охвата, чтобы довольно быстро обновлять данные сканирования. Это крайне полезно в случае быстротечных чрезвычайных ситуаций техногенного или природного характера.

К созданию трехмерных моделей ландшафта все чаще привлекают и методы комбинированного наблюдения, в котором данные спутникового зондирования земной поверхности расширяются с помощью данных повторного сканирования с бортов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Такая многомерная архитектура существенно повышает устойчивость подобных систем, предлагая чрезвычайный уровень осведомленности при повторном сканировании отдельных участков с помощью дронов.

Как видим, даже самые точные данные первоочередного спектрального анализа требуют дополнительной обработки с помощью методов цифрового моделирования. Немало из них сегодня уже работают с подключением многоракурсных стерео (MVS) нейронных сетей, что ускоряет построение трехмерной карты. Подобные сети способны оценивать карты высот со спутниковых изображений и переносить их в виде 3D-точки в системе координат для создания цифровой модели поверхности (DSM) или цифровой модели рельефа (DEM).

Одна из наиболее интересных (в контексте нашего рассказа) цифровых моделей рельефа называется 3D Elevation Program (3DEP). Она была разработана в 2012 году и управляется Национальной геопространственной программой Геологической службы США (USGS). Модель 3DEP постоянно обновляется и взаимодействует с рядом топологических баз данных, в числе которых данные от Национальной расширенной оценки рельефа (NEEA), а также Стандарты и спецификации Национальной геопространственной программы (USGS).

Начиная с 2020 года, 3DEP переведен в формат облачного хранилища — Cloud Optimized Geotiff (COG), что ощутимо снизило уровень вычислительных нагрузок и облегчает взаимодействие с конечным пользователем. Моделирование 3DEP используется только для региона США.

Большой потенциал новых систем трехмерной осведомленности раскрывается и при картографировании ландшафта на других планетах, таких как Марс, где с помощью параметров спутникового изображения можно составить интерактивные карты. Для создания 3D-карт путем анализа моделей мощности сигнала и оценки высоты зданий можно использовать даже Глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS).

Спутниковые стереоизображения особенно важны для глобальных рынков, где точные данные о высоте недоступны ввиду недостаточного покрытия другими геопространственными сервисами. Многие коммерческие рынки получат выгоду от 3D-цифровых моделей рельефа, включающих карты для разведки нефти и газа, наиболее удобные участки для добычи полезных ископаемых, проектирования и строительства, городского планирования, экологического мониторинга, сельского и лесного хозяйства. Некоторые сервисы по 3D-картированию Земли предлагают своим пользователям ознакомиться с более профильными вещами, в частности сервис Earth 3D Map содержит самую подробную карту землетрясений.

Технологии трехмерного картографирования Земли сегодня переживают свое новое рождение. Новые методы построения трехмерных моделей ландшафта используются повсеместно: начиная с Земли и заканчивая картографированием других планет. Особенно ценной технология остается в условиях отсутствия GPS и GNSS-покрытия, где даже портативные наземные сенсоры способны сделать полноценную трехмерную карту окружающей среды.