Разработка и исследование методов геометрической коррекции и фотограмметрической обработки материалов воздушной нестабилизированной гиперспектральной съемки
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Рис. 1. Схема формирования изображения видеоспектрометром
Продольная развертка осуществляется в процессе поступательного движения авианосителя со скоростью V. Величина продольного пространственного разрешения определяется подбором частоты ή пропорционально скорости полета и высоте съемки. Расчет параметров съемки осуществляется исходя из технических характеристик БВС и требуемой разрешающей способности изображения. Ниже приведены основные соотношения и соответствующие им числовые величины для идеального случая съемки в надир, исходя из цели получения изображения с разрешением на местности ≈1м в продольном и поперечном к трассе полета направлениях:
Рис. 2. Изменение проекции пикселя при наклоне камеры
Расчет суммарной проекции пикселя при данном наклоне камеры согласно (6) составил 1,0007 м, т.е. ее увеличение составило 0,07 % от номинальной.
Искажения ГИ, вызванные тангажем, выражаются локальными изменениями продольного масштаба строк, сформированных в моменты изменения продольного угла наклона. Приведенная в диссертации оценка подобных искажений для условий проведения экспериментальной съемки (скорость подъема/ снижения не более 2-3 м/с) показала значительное изменение продольного разрешения, в 1,5 - 2 раза от заданного (1 м).
Искажения, связанные с рысканием, обусловлены вращением камеры вокруг оптической оси. В результате этого при формировании смежных строк может происходить наложение или пропуск информации об отдельных участках местности. Подобные искажения минимальны в середине строк и увеличиваются к их краям.
Для их оценки было получено соотношение Rрыск= Rпрод η / tg ∑ψi, откуда ∑ψi =atg (Rпрод η / Rрыск). Для условий выполнения экспериментальной съемки (радиус поворота не менее 1 000 м) эта величина, отнесенная к промежутку времени между моментами регистрации смежных строк ti=1/η, составила ∑ψi /η = 0,057˚. Эта величина соответствует наложению/разрыву в пределах половины размера пикселя.
Таким образом, в случае нестабилизированной гиперспектральной съемки соблюдение допустимых отклонений параметров полета незначительно снижает разрешение и может обеспечить приемлемую точность воспроизведения ситуации. Полученные таким образом ГИ после проведения геометрической коррекции могут использоваться при картографических работах для обновления картографических документов масштаба 1: 5 000 и мельче. В отдельном подразделе главы 2 произведен расчет параметров ГИ применительно к использованию авиационных сканеров на космических носителях.
Выявлена необходимость значительного увеличения продольного и поперечного разрешения при съемке из космоса, для их решения предполагается 2 подхода [5]:
1. Увеличение числа (n) пикселей в сенсорной линейке сканера (при неизменном фокусном расстоянии) позволяет сохранить L, при этом необходимо уменьшать размер элементов сенсорной линейки, а продольное разрешение должно обеспечиваться увеличением частоты сканирования.
2. Увеличение фокусного расстояния (f), но при этом значительно сужается угол поля зрения камеры (2ω), что уменьшает ширину полосы обзора, и также влечет за собой необходимость уменьшения продольной проекции пикселя (за счет увеличения частоты сканирования).
Расчеты показали, что для средневысотного спутника типа «Ресурс» с гиперспектрометром «Сокол-ГЦП» требуемое разрешение (5 и 10 м) обеспечивается объективами с фокусным расстоянием соответственно 3 и 1,5 м. Наиболее проблематичным является уменьшение величины Rпрод, ограничиваемое возможностями увеличения частоты сканирования строк сканером. Возможно, переход на более совершенную элементную базу позволит решить эту проблему.
Оптимальным подходом к разработке космической гиперспектральной съемочной системы представляется увеличение фокусного расстояния объектива с одновременным увеличением количества ячеек n в линейке ПЗС. Для увеличения числа пикселей в линейке могут быть использованы нескольких секций, а для обеспечения продольного разрешения – многострочную линейку.
Глава 3 посвящена методам обработки данных гиперспектрометрии. Здесь решается задача предварительной геометрической коррекции ГИ, полученных при отсутствии стабилизации съемочной системы, что обуславливает их значительные геометрические искажения. В частности, прямолинейные (на местности) участки дорог и контуров сельскохозяйственных угодий, на использованных в работе ГИ представляют собой волнистые линии, что обусловлено креном самолета на отдельных участках маршрута съемки, вибрацией, боковым сносом и т.п. Искажения носят случайный характер и, при отсутствии регистрации параметров внешнего ориентирования (на настоящий момент такая возможность в БВС «Сокол-ГЦП» отсутствует) не подлежат исправлению путем внесения систематических поправок.
В связи с этим была предпринята попытка создания методов первичной обработки данных, в частности, оригинальной методики и технологии геометрической коррекции ГИ по опорным линиям, предполагающей, что основные искажения ГИ обусловлены поперечными отклонениями оси съемки, а все другие причины искажений достаточно малы. Это позволяет преобразовывать искаженные съемочные материалы в изображения, пригодные для дальнейшей фотограмметрической обработки и использования в ГИС для решения практических задач – создания ортофотопланов и предметной классификации объектов.
Методической основой геометрической коррекции является трассировка (векторизация) и последующее сравнение местоположения идентичных линейных объектов, одинаково четко опознаваемых как на полученном гиперспектрометром изображении, так и на опорном изображении – ортофотоплане или карте. Такими объектами могут быть дороги, контуры сельскохозяйственных полей, лесополосы и пр. Задача сводится к нахождению идентичных «опорных» линий на этих двух изображениях [1, 5]. Выбранные линии рассматриваются в качестве базовых, по которым определяется требуемое для каждой строки смещение.
Опорное изображение может создаваться синхронно с ГИ. При съемке ровной поверхности можно обойтись без создания ортофотоплана, полученные цифровой камерой снимки можно считать близкими к плановому изображению. На основе разработанной методики была создана программа GIPERCORRECTOR, обеспечивающая автоматизированное построчное исправление всего спектрального ряда изображений маршрута гиперспектральной съемки. Получаемое после обработки изображение сохраняет фотометрические характеристики исходного ГИ, но геометрически приближено к виду, наблюдаемому на опорных изображениях.
Технология геометрической коррекции включает следующие этапы:
1. Подготовка параметров коррекции, которая заключается в формировании массива смещений для строк ГИ. Для этого из массива ГИ (представленного в формате *.IMA) формируется растровое изображение наиболее информативного для измерения объектов местности канала в формате BMP. Это изображение служит для нанесения на него (с использованием программы-векторизатора) коррекционных линий 2-х типов: линий контуров на ГИ (искаженных линий) и опорных линий – линий того же самого контура на опорном изображении. Для векторизации использовалось СПО ГИС «Панорама».
В результате должно быть получено изображение с парами опорных линий, нанесенными разными цветами (рис.3). На основе анализа этого изображения в программе GIPERCORRECTOR строится массив смещений.
Рис 3. Изображение с нанесенными опорными линиями
2. Собственно коррекция – заключается в загрузке в программу данных исходного ГИ (в формате IMA) и трансформировании каждой его строки (массива спектральных данных, соответствующего полосе местности). На выходе формируется скорректированное ГИ, также в формате IMA. Геометрическая коррекция ГИ заключается лишь в смещении его строк относительно друг друга согласно вычисленной для них величине смещения, с заполнением фоновыми пикселями полей, образующихся с левого или правого краев каждой строки (рис. 4). Для исключения фоновых пикселей при дальнейшем анализе и обработке скорректированного изображения может быть использована растровая маска.
Рис. 4. Скорректированное изображение
Рис. 5. Технологическая схема обработки данных, получаемых при нестабилизированной гиперспектральной съемке
Рис. 6. Графики спектральных коэффициентов яркости для исходных данных (сплошные линии) и трансформированных данных (пунктирные линии)
Рис. 7. Графики спектральных коэффициентов яркости для двух разновременных гиперспектральных съемок (сплошные линии – до цветения, пунктирные – после цветения)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ