DD296155A5

DD296155A5 - METHOD FOR OBTAINING REMOTE CHARACTERISTICS

Info

Publication number: DD296155A5
Application number: DD32234388A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Bach; Volkmar Kruspig; Joachim Nopirakowski; Reiner Soellner; Gerhard Zimmermann
Original assignee: Adw Institut Fuer Kosmosforschung,De
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1991-11-21

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}The invention relates to the information and Mesztechnik in the optical field for the investigation of the Earth's surface of aerocosmic platforms. By means of the invention, it is possible to adaptively control the extraction of remote sensing data using known recording modules, taking into account different recording conditions and scene characteristics, to program thematically and to minimize the amount of data to be processed without restricting the content of the user information. The object is achieved according to the invention by first obtaining, in relation to the scene to be considered, an advance information which in each case covers typical radiometric, spectral and geometric features of the scene to be subsequently recorded. Based on the results of the apron information acquisition, a rough classification and derivation of control signals for the selection of the spectral channels to be recorded and adjustment of the sensitivity ranges taking into account the catalog of the thematic exploration tasks and their typical remission characteristics is carried out in the next method step. Expediently, in this method step further auxiliary data, such as attitude and meteorological information, can be included in the process of the control signal derivation and used as output data for image corrections. Furthermore, as a result of the evaluation of the apron information, the initiation of on-board data compression and data reduction by the provision of corresponding control signals takes place. {Remote Sensing; multispectral; Recording system; Data reduction; User information, thematically programmable; Reception conditions; on-board processing; Control; Data selection; Image correction}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to the information and measurement technology in the optical field for examining dor earth surface of aerocosmic platforms. By means of the invention it is possible to adaptively control the generation of remote sensing data using known recording modules taking into account different recording conditions and scene characteristics, to program thematically and to minimize the amount of data to be processed without restricting the content of the user information.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

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/.Methods and apparatus for recording and evaluating multispectral remote sensing data / 1 /, methods for spectral analysis of multispektraien data, which were obtained with scanners / 2 / as well as methods for detecting objects on the earth's surface by comparing the spectral and Strukturmerkmalo, by sampling be obtained with known, stored in the memory of an evaluation system data / 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:Starting from the incident upon interaction with the atmosphere on the earth's surface radiation flux of the electromagnetic radiation of the sun and the remission and Emissionsseigi properties of different soil objects at different conditions and environmental influences in / 1 / overview of the state of knowledge in the field of remote sensing in the optical Range and the development of sensor technology. It turns out that due to the different spectral and geometric signature of the different objects under investigation (water, rocks, vegetation), very different demands have to be placed on the spectral band characteristics and the geometrical resolution of the remote sensing systems by the different geosciences. This results in the following tendencies:

- 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)- Extension of the spectral ranges of existing visible and near infrared (VNIR) multispectral imaging systems with shortwave infrared (SWIR) and thermal infrared (TIR) -LANDSATTM (USA) channels

- Verbesserung der geometrischen und spektralen Auflösung durch Übergang vom optisch-mechanischen zum optoelektronischen (Zeilen-) Scannprinzip - MOMS (BRD), SPOT (Frankreich)- Improvement of geometrical and spectral resolution by transition from opto-mechanical to optoelectronic (line) scanning principle - MOMS (FRG), SPOT (France)

- 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)- Development of imaging spectrometers with high spectral at lower spatial resolution using optoelectronic detector arrays and special optical systems -AIS, AVIRIS (USA) and the possibility of programming the data acquisition PMI (Canada), ROSIS (FRG)

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.U.S. Patent 3,829,218 discloses a method of spectral analysis for gross classification of soil objects by comparing the spectral signature of each scanner pixel with known spectral signatures stored in a database using an optical-mechanical multispectral scanner. In this solution, object recognition is very uncertain because when examining mixed pixels, the integral spectral signal can vary greatly from that of a homogeneous surface and thus the spectrograms vary widely.

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 * According to DD-WP160640, a method of spectral analysis for increasing recognition reliability by excluding spectral analysis object spectra from spectral analysis by evaluating structural data of the scanner pixels obtained with a high spatial resolution scanner and comparing the measured spectral and structural characteristics of each scanner pixel surface is included known, stored in the memory of an evaluation system data described. This should be able to increase the probability of secure object identification. The known technical solutions are only suitable for distinguishing certain object classes in the respectively observed scene. The technically unresolved problem is that the variance of the recording conditions (dynamic range, flight parameters, atmospheric parameters) in the known methods of *

Förnerkundungsdatengewinnung keine komplexe Berücksichtigung findet. Mit bekannten Verfahren der Programmierung vonFörnerkundungsdatengewinnung no complex consideration takes place. With known methods of programming

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.Although multispectral scanners can be selected from a variety of possible spectral channels of an imaging spectrometer special records / 4 /. However, a thematic programming requires at least the consideration of variances of the recording conditions.

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).For example, in the transition from one object class (vegetation) to another (body of water) during recording, the remission degree may change so that switching the sensitivity range of the sensor system is required to obtain useful data. The same applies if the radiation conditions change during the recording (cloud cover).

1 Alexander F.H.Goeti, John B.Wollman, William L.Barnes1 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.Optical Remote Sensing of the Earth PROCEEDINGS of the IEEE, Vol.73 Juneο.β June 1985.

2 Edward J.AIyanak Method of Spektral Analysis US-PS GOU 3/38 3.829.218.2 Edward J. Ayyanak Method of Spectral Analysis US patent GOU 3/38 3,829,218.

3 G.A.Avanessov3 G.A.Avanessov

Methode der Spektralanalyse von Objekten der Erdoberfläche DD-WP G01/J 3/38 160640.Method of Spectral Analysis of Earth Surface Objects DD-WP G01 / J 3/38 160640.

4 MONITEQ PMI 3-854 MONITEQ PMI 3-85

Programmable Multispectral Imager (PMI). Object of the invention

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.The object of the invention is to provide a method for obtaining remote sensing data, whereby a thematic selection and on-board processing of the obtained image data a cost-optimal investigation of the earth's surface with multi-spectral recording systems is possible.

Explanation of the essence of the invention

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.The object of the invention is the development of a method for obtaining remote sensing data, which ensures a thematic programming of the recording systems used and the means for on-board preprocessing taking into account the prevailing current recording conditions and scene characteristics. The object is achieved according to the invention by first obtaining, in relation to the scene to be considered, apron information which respectively records typical radiometric, spectral and geometric features of the scene to be recorded later. Based on the results of the apron information acquisition, in the next method step a derivation of control signals for the selection of the spectral channels to be recorded and adjustment of the sensitivity ranges takes place, taking into account a catalog of the thematic exploration tasks and their typical response characteristics. Expediently, in this method step, further auxiliary data, such as attitude and meteorological information, can be included in the process of the control signal derivation and used for presetting the geometric image corrections. Furthermore, as a result of the evaluation of the apron information, the initiation of the on-board data compression and data reduction by the provision of control signals takes place. Further control signals can trigger procedures of thematic further processing of the image information, which permit significant statements as well as the storage of the data.

embodiment

Die Erfindung soll anhand des nachstehend beschriebenen Beispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to the example described below.

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.It is the task with a programmable multispectral recording system, which z. B. a pa nchromatic, geometrically high-resolution channel, a multi-channel imaging spectrometer with high spectral but low geometric resolution and other channels in the middle and thermal infrared contains, to win in a survey data that are multivalent and usable according to the specific user requirements, where By a real-time pre-processing on-board and a reduction of the image data to significant statements containing data massive, an effective storage and possibly transmission of data should be possible. This is inventively achieved in that the actual recording system a Vorfeldsensor simple configuration for obtaining Vorfeldiniormationen is connected upstream and that by means of a processor system for processing the apron information and other auxiliary data, such. Attitude and meteorological information, commands for control and optimized thematic programming of the recording system are generated. By sampling the apron data for the current analysis of the recording conditions and the scene characteristics can be obtained. The apron information captures the radiometric, spectral and geometric characteristics of the scene to be captured with the accuracy necessary for the adaptive control of the imaging system, taking into account the radiation conditions and subject characteristics in thematic programming. These data are used in real-time in control commands for the actual recording system with the help of special processors for the purpose of automatic control and optimized thematic programming. Control commands for setting the optimum sensitivity range (radiometric control), for the thematic selection of the spectral channels to be recorded and their preprocessing (optimized thematic programming) as well as for necessary analyzes of geometric features (texture, edges) are generated and entered into the actual recording system. In addition, data from the apron sensor can also be used for geometrical image correction, as orientation data for stabilizing the recording system and for generating stereo pairs in correlation with the actual sensor data for three-dimensional digital cartography.

Die derart realisierte thematische Programmierung der Datenaufnahme bewirkt eine Maximierung des Informationsgehaltes der Daten und eine Minimierung der zu speichernden bzw. zu übertragenden Datenmassive.The thematic programming of the data acquisition realized in this way maximizes the information content of the data and minimizes the data masses to be stored or transferred.

Claims

-1- 2961B5 claim:

A method for obtaining remote sensing data using a programmable multispectral recording system and means for on-board Vorverarboitung the data masses obtained, characterized in that

- First, based on the currently considered scene, an apron information is obtained, each containing typical, global radiometric, spectral and geometric statements,

- then, on the basis of the results of this apron information acquisition, a derivation of control signals taking into account the catalog of the thematic exploration tasks, with the aim of selecting spectral channels to be recorded from the main field and the adjustment of the sensitivity range of these channels,

- Further auxiliary data, such as attitude and meteorological information included in the process of control signal derivation and used to preset the geometric image correction, and

- As a result of the evaluation of the apron information, the initiation of on board in a known manner performed data compression and data reduction by the provision of further control signals to limit the storage and further processing on the image information, which allow significant statements takes place.