DD296170A5 - Aufnahmesystem 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 unter Verwendung an sich bekannter Einzelsensoren 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 durch ein Aufnahmesystem, das eine Gewinnung von Bildinformationen aus einem Vorfeld, bezogen auf die zu betrachtende Szene, ermoeglicht. Dies wird durch die Anordnung eines Vorfeldsensors in der Fokalebene einer an sich bekannten Eingangsoptik, deren optische Achse gegenueber der des eigentlichen Sensor, des Hauptfeldsensors, geneigt ist, erreicht. Hierbei ist der Neigungswinkel in Abhaengigkeit von den Einsatzbedingungen des Aufnahmesystems einstellbar. In Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Vorfeldsensor eine in bezug auf den Hauptfeldsensor eingeschraenkte radiometrische bzw. geometrische Aufloesung derart, dasz mit einer minimalen Datenmenge eine Aussage zu typischen Merkmalen der spaeter aufzunehmenden Szene moeglich ist. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dasz mittels einer schwenkbaren Spiegeloptik eine Vorfeldszene zeitweilig auf das Sensorsystem abgebildet wird.{Fernerkundung; Aufnahmesystem; multispektral; Datenreduzierung; Nutzerinformation, thematisch programmierbar; Vorfeldszene; Vorfeldsensor; Hauptfeldsensor; schwenkbare Spiegeloptik}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Informations- und Meßtechnik im optischen Bereich zur Untersuchung der Erdoberfläche von aerokosmischen Plattformen aus. Mittels der Erfindung ist es möglich, die Gewinnung von Fernerkundungsdaten unter Verwendung an sich bekannter Einzelsensoren 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 multispektralen Daten, welche mit Scannern gewonnen wurden/2/ sowie Verfahren zur Erkennung von Objekten an der Erdoberfläche durch Vergleich der Spektral- und Strukturmerkmale, die durch Abtastung gewonnen werden mit bekannten, im Speicher eines 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 Emissionseigenschaften 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. Bei dieser Lösung ist eine Objekterkennung sehr unsicher, weil bei der Untersuchung von Mischpixeln das integrale spektrale Signal gegenüber dem einer homogenen Fläche stark abweichen kann und somit die Spektrogramme sehr stark variieren.

Gemäß DD-WP 160640 wird eine Methode der Spektralanalyse zur Erhöhung der Erkennungssicherheit durch Ausschluß von Objektspektrogrammen 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 Anordnungen zur Fernerkundungsdatengewinnung keine komplexe Berücksichtigung findet. Mit bekannten Anordnungen zur Programmierung von Multispektralscannern können zwar aus einer Vielzahl von möglichen Spektralkanälen eines abbildenden Spektrometer spezielle Datensätze selektiert werden/4/. Eine thematische Programmierung erfordert jedoch mindestens die Berücksichtigung von Varianzen der Aufnahmebedingungen im Echtzeitregime.

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

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Aufnahmesystems zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten, wobei durch eine spezielle Anordnung bzw. Ausbildung der verwendeten Sensoren eine aktuelle Berücksichtigung der Aufnahmebedingungen in Verbindung mit der jeweiligen Erkundungsaufgabe möglich werden soll.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Aufnahmesystems zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten, wobei eine aktuelle Analyse von radiometrischen, spektralen und geometrischen Merkmalen derart realisiert wird, daß eine adaptive und den Nutzeranforderungen entsprechende autonome Bildinformationsselektion in Echtzeit gegeben ist.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch ein Aufnahmesystem, das eine Gewinnung von Bildinformationen aus einem Vorfeld, bezogen auf die zu betrachtende Szene, ermöglicht. Dies wird durch die Anordnung eines Vorfeldsensors in der Fokalebene einer an sich bekannten Eingangsoptik, deren optische Achse gegenüber der des eigentlichen Sensor, des Hauptfeldsensors, geneigt ist, erreicht. Hierbei ist der Neigungswinkel in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen des Aufnahmesystems einstellbar. In Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Vorfeldsensor eine in bezug auf den Hauptfeldsensor eingeschränkte radiometrische bzw. geometrische Auflösung derart, daß mit einer minimalen Datenmenge eine Aussage zu typischen Merkmalen der später aufzunehmenden Szene möglich ist. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß mittels einer schwenkbaren Spiegeloptik eine Vorfeldszene zeitweilig auf das Sensorsystem abgebildet wird. Hierbei kann auf die zusätzliche Anordnung eines Vorfeldsensors verzichtet werden.

Im Falle einer notwendigen Analyse des Trübungszustandes der Atmosphäre im Aufnahmegebiet, weist der Vorfeldsensor dementsprechende Kanäle auf.

Der diskrete Vorfeldsensor bzw. die aus der Abbildung des Vorfeldes auf das Sensorsystem gewonnenen Informationen, ermöglichen die Analyse von typischen Merkmalen des betrachteten Vorfeldes des aufzunehmenden Gebietes und gewährleisten im Aufnahmebetrieb eine aktuelle Berücksichtigung dieser Daten, welche zur adaptiven Steuerung des Aufnahmesystems sowie nachgeschalteter Einrichtungen zur Bildauswertung verwendet werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von zeichnerischen Darstellungen sowie möglichen Varianten zur Vorfeldinformationsgewinnung näher beschrieben werden.

Figur 1 zeigt die Gewinnung einer Vorfeldinformation mittels Spiegeloptik unter Nutzung des eigentlichen Sensors, Figur 2 stellt die Ausbildung eines diskreten, positionierbaren zusätzlichen Vorfeldsensors dar.

In den Figuren wird die Flugzeugzelle mit dem Bezugszeichen 1, die das Aufnahmesystem tragende an sich bekannte dynamisch lagestabilisierte Plattform mit 2, der Hauptfeldsensor mit 3, der Vorfeldsensor mit 4 und der zu überfliegende Geländeabschnitt mit 5 sowie die Spiegeloptik mit 6 gekennzeichnet.

Der Vorfeldsensor 4 kann beispielsweise eine CCD-Matrix oder ein Arrangement von CCD-Zeilen sein, welches in der Fokalebene einer Eingangsoptik positioniert ist, deren optische Achse gegenüber der des Hauptfeldsensorsystems 3 geneigt ist. Der Neigungswinkel des Vorfeldsensors 4 ist in Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen einstellbar. Die Geometrie der verwendeten CCD-Matrizen oder Zeilen gewährleistet das Erfassen geometrischer Merkmale (Kanten, Texturen usw.), läßt aber auch durch Vorschalten von Filter- oder Dispersionselementen eine spektrale Zerlegung des einfallenden Strahlungsflusses

Bei einer weiteren Variante der Vorfeldinformationsgewinnung wird auf eine zusätzliche Sensorik verzichtet. Hierbei wird dem eigentlichen Sensorsystem eine schwenkbare Spiegeloptik 6 vorgeschaltet, welche so gesteuert werden kann, daß die Vorfeldszene zeitweilig mit wählbarem Vorhaltewinkel auf das eigentliche Sensorsystem abgebildet wird.

Die so gewonnenen Bilddaten des Vorfeldes können einem bekannten Spezialprozessor zugeführt werden, welcher die Analyse der radiometrischen, geometrischen und spektralen Merkmale der Szene ausführt und nach grober Klassifizierung des Vorfeldes entsprechende Informationen an einen Rechner zur adaptiven Steuerung des Gesamtsystems weitergibt. Diese Bilddaten können weiterhin in Korrelation mit Bilddaten des eigentlichen Sensorsystems, zu denen sie eine differente Aufnahmeperspektive aufweisen, zur Berechnung von Lageorientierungswerten für geometrische Bildkorrekturen herangezogen werden. Dazu bieten sich sowohl Korrelationsverfahren, als auch Verfahren der relativen Orientierung (Aerotriangulation mittels Ausgleichsrechnung) an. Das Vorhandensein von digitalen Bilddaten einer Szene in differenter Aufnahmeperspektive, ermöglicht weiterhin die Bildung von Stereopaaren zu stereophotogrammetrischen Zwecken. Deshalb ist es zweckmäßig, die Bilddaten des Vorfeldsensors bei Bedarf neben den Daten des eigentlichen Sensorsystems mit abzuspeichern und dem Nutzer zur Verfügung zu stellen.

1 Alexander F. H.Goetz, John B. Wellman, William L.Barnes, Optical Remote Sensing of the Earth in PROCEEDINGS of the IEEE, Vol.73 No.6 June 1985

2 Edward J. Alyanak, 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 GOU 3/38 160640

4 MONITEQ PMI3-85, Programmable Multispectral Imager (PMI)

Claims (3)

1. Aufnahmesystem zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten unter Verwendung von optoelektronischen Sensoren und Abbildungsoptiken, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Gewinnung von Bildinformationen aus einem Vorfeld, bezogen auf die zu betrachtende Szene, vorhanden sind.

2. Aufnahmesystem zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Gewinnung der Bildinformation aus einem Vorfeld ein Vorfeldsensor (4) in der Fokalebene einer Eingangsoptik angeordnet ist, wobei deren optische Achse gegenüber der optischen Achse der Eingangsoptik des eigentlichen Sensors, des Hauptfeldsensors (3), einstellbar geneigt ist.

3. Aufnahmesystem zur Gewinnung von Fernerkundungsdaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Gewinnung einer Bildinformation aus einem Vorfeld eine schwenkbare Spiegeloptik (6) derart angeordnet ist, daß eine Vorfeldszene zeitweilig auf das Sensorsystem (3) abgebildet wird.