Прочитав опубликованную сегодня статью про спутник WorldView-3 (на момент публикации статья уже оказалась убрана в черновики), сначала хотел написать к ней развернутый комментарий, но потом осознал, что он получится длиннее самой статьи. Потому решил оформить это как отдельный пост с подробными объяснениями, что же на самом деле нового в конструкции сенсоров нового спутника WorldView-3 кроме чуть лучшего, чем у его предшественников, разрешения. А спутник действительно имеет сразу несколько новых устройств в своей конструкции, которые позволят после его запуска решать задачи дистанционного зондирования на более высоком уровне.
Немного простых фактов
Спутник WorldView-3 принадлежит компании DigitalGlobe, уже много лет поставляющей материалы спутниковой съемки потребителям, включая известные всем картографические онлайн-сервисы, такие как Google Maps, Яндекс Карты, Bing. «Орбитальным телескопом» (как он был назван в предыдущей статье) называть этот спутник — не совсем верно, так как этим термином принято называть астрономические спутники, которые смотрят не на Землю, а на другие космические объекты. WorldView-3, таким образом, является «космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли».
О разрешении
Действительно, разрешение сенсоров WorldView-3 несколько выше разрешения его предшественников — WorldView-1 и 2, аппаратов серии QuickBird. Но стоит четко понимать, что у разных сенсоров, установленных на спутнике, это разрешение разное.
Наибольшим разрешением обладает панхроматический сенсор, который, говоря простыми словами, снимает черно-белую картинку в видимом диапазоне 450-800 нанометров (800нм немного выходит в инфракрасный диапазон). Сама компания DigitalGlobe заявляет для него 31 сантиметр на пиксель для вертикального направления съемки и 34 сантиметра — при отклонении от вертикали на 20º. Для сравнения, WorldView-2 имел разрешение панхроматического сенсора 46 сантиметров.
Цветное изображение спутники получают, используя так называемые мультиспектральные сенсоры. Это сенсоры, которые снимают в отдельных узких диапазонах, из которых потом можно собрать так называемый «композит», получив, в том числе, картинку в естественных цветах. Однако разрешение мультиспектральных сенсоров, как правило, ниже, чем у панхроматического. Так и здесь, восемь диапазонов мультиспектрального сенсора имеют разрешение при вертикальной съемке 124 сантиметра на пиксель и 138 — при отклонении на 20º. У предшественника эти цифры составляли 180 и 240 сантиметров. Конечно, при обработке данных съемки, могут применяться методы улучшения разрешения с использованием данных панхроматического сенсора, однако это улучшает только возможность различения деталей, но не цвета.
Разрешение при отклонении от вертикали указывается отдельно намеренно: на практике, довольно большая часть снимков может оказаться получена под углом, что уменьшает итоговое разрешение на 10-15%.
В случае WorldView-3, набор сенсоров не ограничивается этими двумя типами, что является принципиально новым техническим решением для аппаратов высокого разрешения. О характеристиках третьего и четвертого типа читайте далее.
Спектральные возможности
Как уже было сказано выше, WorldView-3 имеет, как и многие другие спутники, панхроматический и мультиспектральный сенсоры.
Панхроматический покрывает своим диапазоном почти весь видимый глазом спектр от сине-фиолетового до красного, а также захватывает чуть-чуть ближнего инфракрасного диапазона.
Мультиспектральный сенсор WV-3 мало отличается своими возможностями от сенсора WV-2, различие — только в чуть большем разрешении, как было сказано выше. Он имеет три канала, приблизительно соответствующих красному, зеленому и синему в RGB, дополнительный желтый канал, канал крайнего красного, два ближних инфракрасных канала и сине-фиолетовый канал для исследования прибрежных вод. Итого — 8 каналов. Преемственность спектральных характеристик важна для сохранения методов, которые были выработаны при использовании данных WorldView-2. Разрядность данных всех восьми диапазонов — 11 бит.
Коротко поясню, для чего нужен такой набор.
Принципиально новым сенсором на WorldView-3 является сенсор коротковолнового инфракрасного излучения (SWIR). Раньше, такие данные получали спутники более низкого разрешения, такие как Landsat. Там разрешение составляло всего 30 метров на пиксель, тогда как у WV-3 оно равно 3,7-4,1 метра при вертикальной съемке и отклонении на 20º. Сенсор SWIR имеет также восемь каналов, которые покрывают спектр от 1195 до 2365 нанометров, однако диапазон не является непрерывным, а покрыт узкими полосами. Выбор диапазонов связан также со свойствами растительности, атмосферных процессов, а четыре самых дальних от видимого диапазонов могут применяться в задачах геологических исследований. Разрядность данных сенсора SWIR — 14 бит.
Еще одним инновационным решением в наборе сенсоров WorldView-3 является сенсор CAVIS, сокращенно от Cloud, Aerosol, Water Vapor, Ice, Snow (облачность, аэрозоли, водяной пар, лёд, снег). Этот сенсор относительно низкого, всего 30 метров на пиксель, разрешения, покрывающий отдельными выборочными каналами диапазон от 405 нм до 2245 нм. Его главное назначение — определять состояние атмосферы и идентифицировать особые случаи земной поверхности, влияющие на качество изображения. Набор каналов подобран так, чтобы, например, можно было отличить белые облака от снега и льда, а разные виды пыли и дыма в воздухе — от водяного пара. Аналогичное решение уже применялось на спутнике Landsat 8 для детекции облаков, но WorldView имеет более совершенную и универсальную систему, которая позволит проводить более точную и эффективную коррекцию снимков.
Таким образом, спутник WorldView-3 действительно должен стать после своего запуска принципиально новым инструментом дистанционного зондирования, но вовсе не благодаря чему-нибудь вроде фантастически большего разрешения в видимом диапазоне.
Что же касается ожиданий того, что этот спутник поможет улучшить покрытие картографических сервисов, то свой вклад он, безусловно, внесет. Не нужно только забывать о том, что картографические сервисы экономят свои деньги, и очень редко заказывают съемку какой-либо местности специально. Они предпочитают покупать куда более дешевые архивные снимки, то есть те, которые уже были сделаны по заказу каких-либо коммерческих или государственных потребителей. Потому некоторые области, которые не интересны этим потребителям, так и остаются без съемки высокого разрешения много лет. Так что от числа спутников дистанционного зондирования качество покрытия Земли снимками в Google Maps или у Яндекса напрямую не зависит.
Немного простых фактов
Спутник WorldView-3 принадлежит компании DigitalGlobe, уже много лет поставляющей материалы спутниковой съемки потребителям, включая известные всем картографические онлайн-сервисы, такие как Google Maps, Яндекс Карты, Bing. «Орбитальным телескопом» (как он был назван в предыдущей статье) называть этот спутник — не совсем верно, так как этим термином принято называть астрономические спутники, которые смотрят не на Землю, а на другие космические объекты. WorldView-3, таким образом, является «космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли».
О разрешении
Действительно, разрешение сенсоров WorldView-3 несколько выше разрешения его предшественников — WorldView-1 и 2, аппаратов серии QuickBird. Но стоит четко понимать, что у разных сенсоров, установленных на спутнике, это разрешение разное.
Наибольшим разрешением обладает панхроматический сенсор, который, говоря простыми словами, снимает черно-белую картинку в видимом диапазоне 450-800 нанометров (800нм немного выходит в инфракрасный диапазон). Сама компания DigitalGlobe заявляет для него 31 сантиметр на пиксель для вертикального направления съемки и 34 сантиметра — при отклонении от вертикали на 20º. Для сравнения, WorldView-2 имел разрешение панхроматического сенсора 46 сантиметров.
Цветное изображение спутники получают, используя так называемые мультиспектральные сенсоры. Это сенсоры, которые снимают в отдельных узких диапазонах, из которых потом можно собрать так называемый «композит», получив, в том числе, картинку в естественных цветах. Однако разрешение мультиспектральных сенсоров, как правило, ниже, чем у панхроматического. Так и здесь, восемь диапазонов мультиспектрального сенсора имеют разрешение при вертикальной съемке 124 сантиметра на пиксель и 138 — при отклонении на 20º. У предшественника эти цифры составляли 180 и 240 сантиметров. Конечно, при обработке данных съемки, могут применяться методы улучшения разрешения с использованием данных панхроматического сенсора, однако это улучшает только возможность различения деталей, но не цвета.
Разрешение при отклонении от вертикали указывается отдельно намеренно: на практике, довольно большая часть снимков может оказаться получена под углом, что уменьшает итоговое разрешение на 10-15%.
В случае WorldView-3, набор сенсоров не ограничивается этими двумя типами, что является принципиально новым техническим решением для аппаратов высокого разрешения. О характеристиках третьего и четвертого типа читайте далее.
Спектральные возможности
Как уже было сказано выше, WorldView-3 имеет, как и многие другие спутники, панхроматический и мультиспектральный сенсоры.
Панхроматический покрывает своим диапазоном почти весь видимый глазом спектр от сине-фиолетового до красного, а также захватывает чуть-чуть ближнего инфракрасного диапазона.
Мультиспектральный сенсор WV-3 мало отличается своими возможностями от сенсора WV-2, различие — только в чуть большем разрешении, как было сказано выше. Он имеет три канала, приблизительно соответствующих красному, зеленому и синему в RGB, дополнительный желтый канал, канал крайнего красного, два ближних инфракрасных канала и сине-фиолетовый канал для исследования прибрежных вод. Итого — 8 каналов. Преемственность спектральных характеристик важна для сохранения методов, которые были выработаны при использовании данных WorldView-2. Разрядность данных всех восьми диапазонов — 11 бит.
Коротко поясню, для чего нужен такой набор.
- С красным, зеленым и синим — все понятно: они нужны для получения изображения в естественных цветах, а зеленый нужен также для измерений свойств растительности.
- Дополнительный желтый канал также позволяет оценивать состояние наземной и водной растительности (водорослей), но делать это более точно, чем если бы данные об отраженном желтом получались бы из комбинации зеленого и красного каналов.
- Сине-фиолетовый канал служит для исследования прибрежных вод, так как свет этого диапазона проникает достаточно глубоко через океанскую воду. Также, этот диапазон поглощается хлорофиллом здоровых растений. Вместе с желтым и красным каналами, этот диапазон позволяет идентифицировать затопленные территории при стихийных бедствиях.
- Пограничный красный предназначен для изучения состояния здоровья растений.
- Первый ближний инфракрасный диапазон позволяет оценивать количество воды как в биомассе, так и в почве. Также применяется для выделения на снимке водоемов.
- Второй ближний инфракрасный имеет то же назначение, но менее подвержен атмосферным искажениям из-за дымки.
Принципиально новым сенсором на WorldView-3 является сенсор коротковолнового инфракрасного излучения (SWIR). Раньше, такие данные получали спутники более низкого разрешения, такие как Landsat. Там разрешение составляло всего 30 метров на пиксель, тогда как у WV-3 оно равно 3,7-4,1 метра при вертикальной съемке и отклонении на 20º. Сенсор SWIR имеет также восемь каналов, которые покрывают спектр от 1195 до 2365 нанометров, однако диапазон не является непрерывным, а покрыт узкими полосами. Выбор диапазонов связан также со свойствами растительности, атмосферных процессов, а четыре самых дальних от видимого диапазонов могут применяться в задачах геологических исследований. Разрядность данных сенсора SWIR — 14 бит.
Еще одним инновационным решением в наборе сенсоров WorldView-3 является сенсор CAVIS, сокращенно от Cloud, Aerosol, Water Vapor, Ice, Snow (облачность, аэрозоли, водяной пар, лёд, снег). Этот сенсор относительно низкого, всего 30 метров на пиксель, разрешения, покрывающий отдельными выборочными каналами диапазон от 405 нм до 2245 нм. Его главное назначение — определять состояние атмосферы и идентифицировать особые случаи земной поверхности, влияющие на качество изображения. Набор каналов подобран так, чтобы, например, можно было отличить белые облака от снега и льда, а разные виды пыли и дыма в воздухе — от водяного пара. Аналогичное решение уже применялось на спутнике Landsat 8 для детекции облаков, но WorldView имеет более совершенную и универсальную систему, которая позволит проводить более точную и эффективную коррекцию снимков.
Таким образом, спутник WorldView-3 действительно должен стать после своего запуска принципиально новым инструментом дистанционного зондирования, но вовсе не благодаря чему-нибудь вроде фантастически большего разрешения в видимом диапазоне.
Что же касается ожиданий того, что этот спутник поможет улучшить покрытие картографических сервисов, то свой вклад он, безусловно, внесет. Не нужно только забывать о том, что картографические сервисы экономят свои деньги, и очень редко заказывают съемку какой-либо местности специально. Они предпочитают покупать куда более дешевые архивные снимки, то есть те, которые уже были сделаны по заказу каких-либо коммерческих или государственных потребителей. Потому некоторые области, которые не интересны этим потребителям, так и остаются без съемки высокого разрешения много лет. Так что от числа спутников дистанционного зондирования качество покрытия Земли снимками в Google Maps или у Яндекса напрямую не зависит.
