DD296155A5 - Verfahren zur gewinnung von fernerkundungsdaten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Informations- und Mesztechnik im optischen Bereich zur Untersuchung der Erdoberflaeche von aerokosmischen Plattformen aus. Mittels der Erfindung ist es moeglich, die Gewinnung von Fernerkundungsdaten bei Verwendung an sich bekannter Aufnahmemodule unter Beruecksichtigung unterschiedlicher Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika adaptiv zu steuern, thematisch zu programmieren sowie die zu verarbeitende Datenmenge ohne inhaltliche Einschraenkung der Nutzerinformation zu minimieren. Die Loesung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemaesz dadurch, dasz zunaechst, bezogen auf die zu betrachtende Szene, eine Vorfeldinformation gewonnen wird, welche jeweils typische radiometrische, spektrale und geometrische Merkmale der spaeter aufzunehmenden Szene erfaszt. Ausgehend von den Ergebnissen der Vorfeldinformationsgewinnung erfolgt im naechsten Verfahrensschritt eine Grobklassifizierung und Ableitung von Steuersignalen zur Selektion der aufzunehmenden Spektralkanaele und Einstellung der Empfindlichkeitsbereiche unter Beachtung des Kataloges der thematischen Erkundungsaufgaben und deren typische Remissionscharakteristika. Zweckmaeszigerweise koennen in diesem Verfahrensschritt weitere Hilfsdaten, wie Fluglage und meteorologische Informationen in den Prozesz der Steuersignalableitung einbezogen sowie als Ausgangsdaten fuer Bildkorrekturen verwendet werden. Weiterhin erfolgt im Ergebnis der Auswertung der Vorfeldinformation die Einleitung der an-Bord durchzufuehrenden Datenkompression und Datenreduktion durch die Bereitstellung von entsprechenden Steuersignalen.{Fernerkundung; multispektral; Aufnahmesystem; Datenreduzierung; Nutzerinformation, thematisch programmierbar; Aufnahmebedingungen; an-Bord-Verarbeitung; Steuerung; Datenselektion; Bildkorrektur}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Informations- und Meßtechnik im optischen Bereich zur Untersuchung dor Erdoberfläche von aerokosmischen Plattformen aus. Mittels der Erfindung ist es möglich, die Gewinnung von Fernerkundungsdatenunter Verwendung an sich bekannter Aufnahmemodule unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika adaptiv zu steuern, thematisch zu programmieren sowie die zu verarbeitende Datenmenge ohne inhaltliche Einschränkung der Nutzerinformation zu minimieren.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Verfahren und Geräte zur Aufnahme und Auswertung multispektraler Fernerkundungsdaten/1 /, Verfahren zur Spektralanalyse von multispektraien Daten, welche mit Scannern gewonnen wurden/2/ sowie Verfahren zur Erkennung von Objekten an der Erdoberfläche durch Vergleich der Spektral- und Strukturmerkmalo, die durch Abtastung gewonnen werden mit bekannten, im Speicher einer Auswertesystems abgelegten Daten/3/.

Ausgehend von dem nach Wechselwirkung mit der Atmosphäre auf die Erdoberfläche einfallenden Strahlungsfluß der elektromagnetischen Strahlung der Sonne sowie den Remissions- und Emissionseigi nschaften der unterschiedlichen Bodenobjekte bei verschiedenen Zuständen und Umgebungseinflüssen wird in/1/ ein Überblick über den Erkenntnisstand auf dem Gebiet der Fernerkundung im optischen Bereich und die Entwicklung der Sensortechnik dargelegt. Es zeigt sich, daß auf Grund der unterschiedlichen spektralen und geometrischen Signatur der verschiedenen Untersuchungsobjekte (Wasser, Gesteine, Vegetation) von den verschiedenen Geowissenschaften sehr unterschiedliche Forderungen an die Spektralbandcharakteristik und das geometrische Auflösungsvermögen der Fernerkundungsaufnahmesysteme gestellt werden müssen. Daraus resultieren folgende Tendenzen:

- Erweiterung der Spektralbereiche bestehender Multispektral-Aufnahmesysteme im sichtbaren und nahen Infrarot (VNIR) mit Kanälen im kurzwelligen Infrarot (SWIR) und im thermischen Infrarot (TIR)-LANDSATTM (USA)

- Verbesserung der geometrischen und spektralen Auflösung durch Übergang vom optisch-mechanischen zum optoelektronischen (Zeilen-) Scannprinzip - MOMS (BRD), SPOT (Frankreich)

- Entwicklung von abbildenden Spektrometern mit hoher spektraler bei geringerer räumlicher Auflösung unter Verwendung optoelektronischer Detektormatrizen und spezieller optischer Systeme -AIS, AVIRIS (USA) sowie der Möglichkeit der Programmierung der Datenaufnahme- PMI (Kanada), ROSIS (BRD)

Die US-PS 3.829.218 beschreibt ein Verfahren der Spektralanalyse zur Grobklassifizierung von Bodenobjekten durch Vergleich der Spektralsignatur jedes Scannerpixels mit in einer Datenbank gespeicherten bekannten Spektralsignaturen bei Verwendung eines optisch-mechanischen Multispektralscanners. 'iei dieser Lösung ist eine Objekterkennung sehr unsicher, weil bei der Untersuchung von Mischpixeln das integrale spektrtle Signal gegenüber dem einer homogenen Fläche stark abweichen kann und somit die Spektrogramme sehr stark variieren.

Gemäß DD-WP160640 wird eine Methode der Spektralanalyse zur Erhöhung der Erkennungssicherheit durch Ausschluß von Objektspektrcjiammen von Mischpixeln aus der Spektralanalyse mittels Auswertung von Strukturdaten der Scannerpixel, die mit einem räumlich hoch auflösenden Scanner gewonnen werden sowie durch Vergleich der gemessenen Spektral- und Strukturcharakteristika jeder Scannerpixelfläche mit bekannten, im Speicher eines Auswertesystems gespeicherten Daten, beschrieben. Damit soll die Wahrscheinlichkeit der sicheren Objektidentifizierung erhöht werden können. Die bekannten technischen Lösungen sind nur zur Unterscheidung bestimmter Objektklassen in der jeweils beobachteten Szene geeignet. Das technisch bisher nicht gelöste Problem besteht darin, daß die Varianz der Aufnahmebedingungen (Dynamikbereich, Flugparameter, atmosphärische Parameter) bei den bekannten Verfahren der *

Förnerkundungsdatengewinnung keine komplexe Berücksichtigung findet. Mit bekannten Verfahren der Programmierung von

Multispektralscannern können zwar aus einer Vielzahl von möglichen Spektralkanälen eines abbildenden Spektrometers spezielle Datensätze selektiert werden/4/. Eine thematische Programmierung erfordert jedoch mindestens die Berücksichtigung von Varianzen der Aufnahmebedingungen.

So kann beispielsweise beim Übergang von einer Objektklasse (Vegetation) zu einer anderen (Gewässer) während der Aufnahme der Remissionsgrad sich derart verändern, daß ein Umschalten dos Empfindlichkeitsbereiches des Sensorsystems erforderlich wird, um brauchbare Daten zu erhalten. Das Gleiche trifft zu, wenn sich während der Aufnahme die Strahlungsbedingungen ändern (Bewölkung).

1 Alexander F.H.Goeti, John B.Wollman, William L.Barnes

Optical Remote Sensing of the Earth In PROCEEDINGS of the IEEE, Vol.73 Νο.β June 1985.

2 Edward J.AIyanak Method of Spektral Analysis US-PS GOU 3/38 3.829.218.

3 G.A.Avanessov

Methode der Spektralanalyse von Objekten der Erdoberfläche DD-WP G01/J 3/38 160640.

4 MONITEQ PMI 3-85

Programmable Multlspectral Imager (PMI). Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten, wobei durch thematische Auswahl und an-Bord-Verarbeitung der gewonnenen Bilddaten eine aufwandsoptimale Untersuchung der Erdoberfläche mit multispektralen Aufnahmesystemen möglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten, welches eino thematische Programmierung der verwendeten Aufnahmesysteme sowie der Mittel zur an-Bord-Vorverarbeitung unter Berücksichtigung der jeweils herrschenden aktuellen Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika gewährleistet. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß zunächst, bezogen auf die zu betrachtende Szene, eine Vorfeldinformation gewonnen wird, welche jeweils typische radiometrische, spektrale und geometrische Merkmale der später aufzunehmenden Szene erfaßt. Ausgehend von den Ergebnissen der Vorfeldinformationsgewinnung erfolgt im nächsten Verfahrensschritt eine Ableitung von Steuersignalen zur Selektion der aufzunehmenden Spektralkanäle und Einstellung der Empfindlichkeitsbereiche unter Beachtung eines Kataloges der thematischen Erkundungsaufgaben und deren typischer Remissionscharakteristika. Zweckmäßigerweise können in diesem Verfahrensschritt weitere Hilfsdaten, wie Fluglage und meteorologische Informationen in den Prozeß der Steuersignalableitung einbezogen sowie zur Voreinstellung der geometrischen Bildkorrekturen verwendet werden. Weiterhin erfolgt im Ergebnis der Auswertung der Vorfeldinformation die Einleitung der an-Bord durchzuführende Datenkompression und Datenreduktion durch die Bereitstellung von Steuersignalen. Weitere Steuersignale können Prozeduren der thematischen Weiterverarbeitung der Bildinformationen, welche signifikante Aussagen zulassen sowie die Abspeicherung der Daten auslösen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand des nachstehend beschriebenen Beispiels näher erläutert werden.

Es besteht die Aufgabe mit einem programmierbaren multispektralen Aufnahmesystem, welches z. B. einen pa nchromatischen, geometrisch hoch auflösenden Kanal, ein mehrkanaliges abbildendes Spektrometer mit hoher spektraler aber geringer geometrischer Auflösung sowie weitere Kanäle im mittleren und thermischen Infrarot enthält, bei einer Befliegung Daten zu gewinnen, welche multivalent sowie entsprechend den speziellen Nutzeranforderungen verwertbar sind, wobei durch eine Echtzeitvorverarbeitung an-Bord und eine Reduktion der Bilddaten auf signifikante Aussagen beinhaltende Datenmassive, eine effektive Speicherung und gegebenenfalls Übertragung der Daten möglich sein soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man eigentlichen Aufnahmesystem ein Vorfeldsensor einfacher Konfiguration zur Gewinnung von Vorfeldiniormationen vorgeschaltet wird und daß mittels eines Prozessorsystems zur Verarbeitung der Vorfeldinformationen und von weiteren Hilfsdaten, wie z.B. Fluglage und meteorologische Information, Kommandos zur Steuerung und optimierten thematischen Programmierung des Aufnahmesystems erzeugt werden. Durch Abtastung des Vorfeldes können Daten für die aktuelle Analyse der Aufnahmebedingungen und der Szenencharakteristika gewonnen werden. Die Vorfeldinformation erfaßt die radiometrischen, spektralen und geometrischen Charakteristika der aufzunehmenden Szene mit der Genauigkeit, die für die adaptive Steuerung des Aufnahmesystems un'er Berücksichtigung der Strahlungsbedingungen und Objektcharakteristika bei der thematischen Programmierung notwendig ist. Diese Daten werden mit Hilfe von Spezialprozessoren in Echtzeit in Steuerkommandos für das eigentliche Aufnahmesystem zum Zwecke der automatischen Steuerung und optimierten thematischen Programmierung eingesetzt. Es werden Steuerkommandos für die Einstellung des optimalen Empfindlichkeitsbereiches (radiometrische Steuerung), für die thematische Auswahl der aufzunehmenden Spektralkanäle und deren Vorverarbeitung (optimierte thematische Programmierung) sowie ggf. für erforderliche Analysen geometrischer Merkmale (Textur, Kanten) generiert und dem eigentlichen Aufnahmesystem eingegeben. Darüber hinaus können Daten des Vorfeldsensors auch zur geometrischen Bildkorrektur, als Orientierungsdaten für die Stabilisierung des Aufnahmesystems sowie zur Erzeugung von Stereopaaren in Korrelation mit den eigentlichen Sensordaten für die dreidimensionale Digitalkartographie herangezogen werden.

Die derart realisierte thematische Programmierung der Datenaufnahme bewirkt eine Maximierung des Informationsgehaltes der Daten und eine Minimierung der zu speichernden bzw. zu übertragenden Datenmassive.

Claims (1)

1. -1- 2961B5 Patentanspruch:

   Verfahren zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten unter Verwendung eines programmierbaren multispektralen Aufnahmesystems sowie von Mitteln zur an-Bord-Vorverarboitung der gewonnenen Datenmassive, gekennzeichnet dadurch, daß

   - zunächst, bezogen auf die momentan betrachtete Szene, eine Vorfeldinformation gewonnen wird, welches jeweils typische, globale radiometrische, spektrale und geometrische Aussagen enthält,

   - anschließend ausgehend von den Ergebnissen dieser Vorfeldinformationsgewinnung eine Ableitung von Steuersignalen unter Beachtung des Kataloges der thematischen Erkundungsaufgaben, mit dem Ziel der Selektion von aus dem Hauptfeld aufzunehmenden Spektralkanälen sowie der Einstellung des Empfindlichkeitsbereiches dieser Kanäle erfolgt,

   - weiterhin Hilfsdaten, wie Fluglage und meteorologische Informationen in den Prozeß der Steuersignalableitung einbezogen sowie zur Voreinstellung der geometrischen Bildkorrektur verwendet werden und

   - im Ergebnis der Auswertung der Vorfeldinformation die Einleitung der an Bord in bekannter Weise durchgeführten Datenkompression und Datenreduktion durch die Bereitstellung von weiteren Steuersignalen zur Begrenzung der Abspeicherung und Weiterverarbeitung auf die Bildinformationen, welche signifikante Aussagen zulassen, erfolgt.