DD296170A5

DD296170A5 - RECORDING SYSTEM FOR OBTAINING REMOTE DATA

Info

Publication number: DD296170A5
Application number: DD32234088A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Bach; Volkmar Kruspig; Joachim Nopirakowski; Franz Plischke; Martin Scheele
Original assignee: Adw,Institut Fuer Kosmoforschung,De; Interflug,Betrieb Fernerkundung, Industrie- U. Forschungsflug,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 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}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 generation of remote sensing data using known individual sensors, 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 problem is solved by a recording system, which allows extraction of image information from an apron with respect to the scene to be viewed. This is achieved by the arrangement of an apron sensor in the focal plane of an input optics known per se, the optical axis of which is inclined with respect to that of the actual sensor, the main field sensor. Here, the angle of inclination is adjustable as a function of the operating conditions of the recording system. In an embodiment of the invention, the apron sensor has a restricted with respect to the main field sensor radiometric or geometric resolution such that a statement on typical features of the later scene to be recorded is possible with a minimum amount of data. A further embodiment of the invention consists in the fact that an apron scene is temporarily imaged onto the sensor system by means of a pivotable mirror optics. {Remote Sensing; Recording system; multispectral; Data reduction; User information, thematically programmable; The run-up scene; Advance sensor; Main field sensor; swiveling mirror optics}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to the information and measurement technology 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 generation of remote sensing data using known individual sensors 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 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/.Methods and devices for recording and evaluating multispectral remote sensing data / 1 /, methods for spectral analysis of multispectral data obtained with scanners / 2 / and methods for detecting objects on the earth's surface by comparing the spectral and structural features obtained by scanning are known 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 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:Starting from the radiation flux of the electromagnetic radiation of the sun incident on the earth's surface after interaction with the atmosphere and the remission and emission properties of the different soil objects under different conditions and environmental influences, in / 1 / is an overview of the state of knowledge in the field of remote sensing in the optical field 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 (BRD), 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. 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.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 in the study of mixed pixels, the integral spectral signal can differ greatly from that of a homogeneous surface and thus vary the spectrograms very much.

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.According to DD-WP 160640, a method of spectral analysis for increasing the detection reliability by excluding spectroscopic object spectrograms from mixed spectra 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 area with 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 arrangements for remote sensing data acquisition no complex consideration. With known arrangements for the programming of multispectral scanners, although specific data sets can be selected from a large number of possible spectral channels of an imaging spectrometer. However, a thematic programming requires at least the consideration of variances of the recording conditions in the real-time regime.

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

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The object of the invention is to provide a recording system for obtaining remote sensing data, wherein by a special arrangement or design of the sensors used a current consideration of the recording conditions in connection with the respective exploration task should be possible.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.Object of the invention is the development of a recording system for obtaining remote sensing data, wherein a current analysis of radiometric, spectral and geometric features is realized such that an adaptive and the user requirements corresponding autonomous image information selection is given in real time.

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.According to the invention, the object is achieved by a recording system, which allows extraction of image information from an apron, based on the scene to be considered. This is achieved by the arrangement of an apron sensor in the focal plane of a known input optics whose optical axis is inclined relative to the actual sensor, the main field sensor. Here, the angle of inclination is adjustable depending on the conditions of use of the recording system. In an embodiment of the invention, the apron sensor has a limited in relation to the main field sensor radiometric or geometric resolution such that with a minimum amount of data a statement on typical features of the later scene to be recorded is possible. A further embodiment of the invention is that by means of a pivotable mirror optics, a apron scene is temporarily imaged on the sensor system. This can be dispensed with the additional arrangement of an apron sensor.

Im Falle einer notwendigen Analyse des Trübungszustandes der Atmosphäre im Aufnahmegebiet, weist der Vorfeldsensor dementsprechende Kanäle auf.In the case of a necessary analysis of the turbidity state of the atmosphere in the recording area, the apron sensor has corresponding channels.

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.The discrete apron sensor or the information obtained from the mapping of the apron on the sensor system, allow the analysis of typical features of the considered apron of the recorded area and ensure in recording operation an up-to-date consideration of this data, which for adaptive control of the recording system and downstream facilities for image analysis be used.

embodiment

Die Erfindung soll anhand von zeichnerischen Darstellungen sowie möglichen Varianten zur Vorfeldinformationsgewinnung näher beschrieben werden.The invention will be described in more detail with reference to drawings and possible variants for apron information acquisition.

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.Figure 1 shows the extraction of apron information by means of mirror optics using the actual sensor, Figure 2 illustrates the formation of a discrete, positionable additional apron sensor.

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.In the figures, the airframe with the reference numeral 1, the dynamic position-stabilized platform supporting the recording system with 2, the main field sensor with 3, the apron sensor with 4 and the overflight terrain section with 5 and the mirror optics with 6.

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 StrahlungsflussesThe front-end sensor 4 can be, for example, a CCD matrix or an arrangement of CCD lines, which is positioned in the focal plane of an input optics whose optical axis is inclined relative to that of the main field sensor system 3. The inclination angle of the apron sensor 4 is adjustable depending on the conditions of use. The geometry of the CCD matrices or lines used ensures the detection of geometric features (edges, textures, etc.), but can also by upstream of filter or dispersion elements, a spectral decomposition of the incident radiation flux

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.In another variant of the apron information acquisition is dispensed with an additional sensor. Here, the actual sensor system is preceded by a pivotable mirror optics 6, which can be controlled so that the apron scene is temporarily mapped with selectable Vorhaltewinkel on the actual sensor system.

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.The thus obtained image data of the apron can be fed to a known special processor, which performs the analysis of the radiometric, geometric and spectral features of the scene and after gross classification of the apron corresponding information to a computer for adaptive control of the overall system passes. This image data can furthermore be used in correlation with image data of the actual sensor system, to which they have a different acquisition perspective, to calculate position orientation values for geometric image corrections. Both correlation methods and methods of relative orientation (aerotriangulation by means of a compensation calculation) are suitable for this purpose. The presence of digital image data of a scene in a different recording perspective, further allows the formation of stereo pairs for stereophotogrammetric purposes. Therefore, it is expedient to store the image data of the apron sensor, if necessary, in addition to the data of the actual sensor system and make it available to the user.

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 19851 Alexander F.H.Goetz, John B. Wellman, William L.Barnes, Optical Remote Sensing of the Earth PROCEEDINGS of the IEEE, Vol.73 No.6 June 1985

2 Edward J. Alyanak, Method of Spektral Analysis, US-PS GOU 3/38 3.829.2182 Edward J. Alyanak, Method of Spectral Analysis, U.S. Patent No. 3,838,218

3 G. A. Avanessov, Methode der Spektralanalyse von Objekten der Erdoberfläche, DD-WP GOU 3/38 1606403 G. A. Avanessov, Method of Spectral Analysis of Earth Surface Objects, DD-WP GOU 3/38 160640

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

Claims

1. recording system for obtaining remote sensing data using optoelectronic sensors and imaging optics, characterized in that means for obtaining image information from an apron, based on the scene to be considered, are present.

2. Recording system for obtaining remote sensing data according to claim 1, characterized in that as means for obtaining the image information from a front apron sensor (4) is arranged in the focal plane of an input optics, wherein the optical axis relative to the optical axis of the input optics of the actual sensor , the main field sensor (3) is adjustably inclined.

3. Recording system for obtaining remote sensing data according to claim 1, characterized in that as a means for obtaining image information from an apron, a pivotable mirror optics (6) is arranged such that an apron scene is temporarily displayed on the sensor system (3).