DD296175A5 - Prozessorsystem zur gewinnung und verarbeitung 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 und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten bei Verwendung an sich bekannter einzelner Prozessormodule unter Beruecksichtigung unterschiedlicher Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika adaptiv zu steuern, thematisch zu programmieren sowie die zu verarbeitende Datenmenge ohne inhaltliche Einschraenkung der Nutzerinformation zu minimieren. Erfindungsgemaesz enthaelt das Prozessorsystem einen Steuerrechner, welcher ueber einen ersten Port mit einem ersten Spezialprozessor und ueber einen zweiten Port mit einem zweiten Spezialprozessor in Verbindung steht. Hierbei enthaelt der erste Spezialprozessor einen Pufferspeicher sowie Mittel zur geometrischen Korrektur der Bilddaten sowie Mittel zur Analyse der aus einem an sich bekannten Vorfeldsensor des Sensorsystems gewonnenen Vorfeldinformation. Vom Ausgang des ersten Spezialprozessors werden ueber den Steuerrechner Steuerinformationen fuer das Sensorsystem bereitgestellt. Der zweite Spezialprozessor steht ueber einen dritten Port mit dem Pufferspeicher des ersten Spezialprozessors in Verbindung und enthaelt Mittel zur nutzerspezifischen bzw. aus der Analyse der Vorfeldinformation ableitbaren Datenkompression und Bildvorverarbeitung. Am Ausgang des zweiten Spezialprozessors sind die vorverarbeiteten Bilddaten abgreifbar. Diese Bilddaten werden ueber den Steuerrechner einem Bilddatenspeicher zugefuehrt. Der Steuerrechner weist einen Eingang auf, welcher mit einer Einrichtung zur Flugdatengewinnung in Verbindung steht. UEber einen vierten Port ist der Steuerrechner mit einem an sich bekannten Operatorterminal sowie ueber einen fuenften Port mit einer ebenfalls bekannten Stabilisierungseinrichtung des Aufnahmesystems und ueber einen sechsten Port mit dem Vorfeldsensor verbunden. Ein siebenter Port des Steuerrechners ist am Hauptfeldsensor angeschlossen. Eine Speicheranordnung, welche ueber einen achten Port mit dem Steuerrechner in Verbindung steht, enthaelt eine Datenbank typischer Objektmerkmale sowie verschiedene an sich bekannte spezielle Verarbeitungsalgorithmen.{Fernerkundung; multispektral; Aufnahmesystem; Signalverarbeitung; Expertensystem; Spezialprozessor; Steuerrechner; Bildverarbeitung; Datenbank; Datenkompression}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

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 und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten bei Verwendung an sich bekannter einzelner Prozessormodule unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aufnahmebedingungen und Szenencharakteristika adaptiv zu steuern, thematisch zu programmieren sowie diezu 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 Auswertersystems abgelegten Daten/3/.

Ausgehend von Jem 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 dam 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, Gestehe, Vegetation) von den verschiedenen Geowissenschaften sehr unterschiediche 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 Spcktrometern 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- PM! (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 dom einer homogenen Fläche stark abweichen kann und somit die Spoktrogrammo sehr stark variieren.

Gemäß DD-WP 160040 wird eino Methode der Spektralanalyse zur Erhöhung dor Erkennungssicherheit durch Ausschluß von Objektspektrogrammen von Mischpixeln aus der Spektralanalyse mittels Auswertung von Strukturdaten der Scannerpixel, die mit einem räumlich hoch auflösenden Scanner gewonnen worden sowie durch Vergleich dor gemessenen Spektral- und Strukturcharakteristika joder Scannerpixelfläche mit bekannten, im Speichor eines Auswertosystems gespeichorten Daten, beschrieben. Damit soll die Wahrscheinlichkeit der sicheren Objektidentifizierung erhöht werden können. Die bekannton technischen Lösungen sind nur zur Unterscheidung bestimmter Objektklasson In der Jeweils beachteten Szene geeignet. Das technisch bisher nicht gelöste Problem besteht darin, daß die Varianz der Aufnahmebedingungen (Dynamikbereich, Flugparameter, atmosphärische Parameter) bei den bekannten Vorfahren dor Fornerkundungsdatengowinnung keine komplexe Berücksichtigung findet. Mit bekannton Verfahren und Anordnungen der Programmierung von Multispoktralscannern können zwar aus einer Vielzahl von möglichen Spektralkanälen eines abbildenden Spektrometer spezielle Datensätze selektiert werden/4/. Eine thematische Programmierung, d.h. thematische Datengewinnung und Verarbeitung, erfordert jedoch mindestens die Berücksichtigung von Varianzen der Aufnahmebedingungen sowie oino nutzerspozifische an Bord durchgeführte Datenvorvorarbeitung mittels eines speziellen Prozessorsystems.

So kann beispielsweise beim Übergang von einer Objektklasse (Vegetation) zu einer anderen (Gewässer) währond der Aufnahme der Remissionsgrad sich derart verändern, daß ein Umschalten des Empfindlichkeitsberoiches 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 Prozessorsystems zur Gewinnung und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten, wobei die Aufnahme der Bilddaten in Abhängigkeit von Objektmerkmalen und speziellen Nutzeranforderungen thematisch ausgewählt werden kann sowie eine nutzerspezifische an Bord Vorverarbeitung der gewonnenen Bilddaten möglich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Prozessorsystems zur Gewinnung und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten, welshes durch die gewählte Struktur den Charakter eines Expertensystems trägt. Das Prozessorsystem hat hierbei die Aufnahrneparameter eines an sich bekannten Sensorsystems unter Berücksichtigung der physikalischen Merkmale der aufzunehmenden Objekte sowie der Aufnahmebedingungen unter Verwendung von in einer Speicheranordnung abgelegten Daten und speziellen Verarbeitungsalgorithmen adaptiv zu steuern.

Erfindungsgemäß enthält das Prozessorsystem einen Steuerrechnor, »volcher über einen ersten Port mit einem ersten Spezialprozessor und über einen zweiten Port mit einem zweiten Spozialprozossor in Verbindung steht. Hierbei enthält der erste Spezialprozessor einen Pufferspeicher sowie Mittel zur geometrischen Korrektur der Bilddaten sowie Mittel zur Analyse der aus einem an sich bekannten Vorfeldsensor des Sensorsystems gewonnenen Vorfeldinformation. Vom Ausgang des ersten Spezialprozessors werden über den Steuerrechner Steuerinformationen für das Sensorsystem bereitgestellt. Der zweite Spezialprozessor steht über einen dritten Port mit dem Pufferspeicher des ersten Spezialprozessors in Verbindung und enthält Mittel zur nutzerspezifischen bzw. aus der Analyse der Vorfeldinformation ableitbaren Datenkompression und Bildvorverarbeitung. Am Ausgang des zweiten Spezialprozessors sind die vorverarbeiteten Bilddaten abgreifbar. Diese Bilddaten werden über den Steuerrechner einem Bilddatenspeicher zugeführt. Der Steuerrechner weist einen Eingang auf, welcher mit einer Einrichtung zur Flugdatengewinnung in Verbindung steht. Über einen vierten Port ist der Steuerrechner mit einem an sich bekannten Operatorterminal sowie über einen fünften Port mit einer ebenfalls bekannten Stabilisierungseinrichtung des Aufnahmesystems und über einen sechsten Port mit dem Vorfeldsensor verbunden. Ein siebenter Port des Steuerrechners ist am Hauptfeldsensor angeschlossen. Eine Speichoranordnung, welche über einen achten Port mit dem Steuerrechner in Verbindung steht, enthält eine Datenbank typischer Objektmerkmale sowie verschiedene an sich bekannte spezielle Verarbeitungsalgorithmen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand einer Figur, welche die Grundstruktur des Prozessorsystems darstellt und der Erläuterung der Funktions- bzw. Wirkungsweise näher betrachtet werden.

Das Prozessorsystem besteht in seinen Grundkomponenten aus einem Steuorrechner 3und zwei Spezialprozessoren 1 und 2. Mit dem Steuerrechner 3 Ist eine Speicheranordnung 4 gekoppelt, welche spezielle Daten über typische Einsatzbedingungen und Objektmerkmaie sowie Algorithmen zu deren Verarbeitung und Verknüpfung enthält. Diese können vom Operator des Systems über interaktive Kommunikation mit dem Steuerrechner 3 präzisiert und zur Echtzeitverarbeitung mit den aktuellen Vorfeld-und Sensordaten 9 und 10 aktiviert werden.

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 Erdoborfläche, DD-WP G01/J 3/38 160640.

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

Die Aufnahmeparameter des Sensorsystems werden durch die physikalischen Merkmale der aufzunehmenden Objekte (geometrische, spektrale, radiometrische Signaturen) sowie die Aufnahmebedingungen (Sonnenstand, Zustand der Atmosphäre) bestimmt. Sie werden durch das Prozessorsystem objektspezifisch unter Vorwendung der Daten und Algorithmen der Speicheranordnung 4 sowie der aktuellen Vorfoldinformatlon adaptiv gesteuert, Der Steuerrechner 3 stellt aus den vom Operator über das Operatorterminal 7 aktualisierten und aktivierten Daten und Algorithmen ein objektspezifisches Programm für die beiden Spezialprozessoren 1 und 2 zusammen. Der erste Spezialprozessor 1 dient der Auswertung der Daten des Vorfeldsensors 9 bzw. des Hauptfeldsensors 10. Dazu gehören Korrektur der Sensordanton, Analysen zur Bestimmung der Aufnahmebedingungen und Objektmerkmale sowie die Ausgabe der Daten für Steuerung und Programmierung der Sensorsystems an den Steuerrechner 3. Im zweiten Spezialprozessor 2 werden die Bilddaten des Sensorsystems nach Korrektur für die Übergabe in den Bilddaten des Sensorsystems nach Korrektur für die Übergabe in den Bilddatenspeicher 8 bzw, für weitere Manipulationen formatiert. Dies kann unter Anwendung von Datenkompressionsverfahren geschehen. Die Entscheidung über die Anwendung der Datenkompression hängt vom Einsatzziel ab und unterliegt somit der thematischen Programmierung des Systems. Aber auch die Auswertung der Vorfeldinformation durch den ersten Spezialprozessor 1 kann Hinweise für die Anwendbarkeit von Kompressionsalgorithmen liefern und somit als Entscheidungshilfe dienen. Die Auswertung der Daten des Vorfeidsonsors 9 bezieht sich auf die Analyse bestimmter Szenencharakteristika, wie mittlere Bildhelligkeit, Varianzen, Korrelationslängen usw. sowie atmosphärischer Effekte und liefert Daten für eine optimale Steuerung und thematische Programmierung des Hauptfeldsensors 10 (und ggf. durch Rückkopplung auch des Vorfeldsensors 9), Diese Daten sind dem Steuerrechner 3 zuzuführen, der daraus unter Berücksichtigung der aktivierten Daten und Algorithmen der Speicheranordnung 4 die Steuersignale für das Sensorsystem (Empfindlichkeitsregelung, Auslesetakt, Selektion der spektralen Information usw.) generiert. Angaben für geometrsiche Korrekturen, (die z. B. im ersten Spezialprozessor 1 durchgeführt werden können) und für die Stabilisierungseinrichtung 6, können ebenfalls aus den Daten dos Vorfeldsensors 9 im ersten Spezialprozessor 1 extrahiert und an den Steuerrechner 3 übermittelt werden.

Der zweite Spezialprozessor 2 hat neben den bereits genannten Aufgaben die nutzerspezifische Informationsverarbeitung zu gewährleisten und die Ergebnisse an den Steuerrechner 3 zwecks Abspeicherung im Datenspeicher 8 weiterzuleiten. Dazu sind in der Speicheranordnung 4 spezielle nutzerspezifische Algorithmen angelegt. Zur Berücksichtigung aktueller Flugdaten besteht eine Verbindung zwischen der Einrichtung zur Flugdatengewinnung 5 und dem Steuerrechner 3.

Claims (1)

1. Prozessorsystem zur Gewinnung und Verarbeitung von Fernerkundungsdaten unter Verwendung eines Sensorsystems, eines Operatorterminals, einer Einrichtung zur Flugdatengewinnung, einer Stabilisierungseinrichtung sowie eines Bilddatenspeichers und einer, spezielle Verarbeitungsalgorithmen enthaltende, Speicheranordnung, gekennzeichnet dadurch, daß

   - das Prozessorsystem einen Steuerrechner (3) aufweist, welcher über einen ersten Port mit einem Spezialprozessor (1) und über einen zweiten Port mit einem zweiten Spezialprozessor (2) in Verbindung steht, wobei der erste Spezialprozessor (1) einen Pufferspeicher sowie Mittel zur geometrischen Korrektur einlaufender Bilddaten sowie Mittel zur Analyse der aus einem an sich bekannten Vorfeldsensor (9) des Sensorsystems gewonnenen Vorfeldinformation enthält,

   - vom Ausgang des ersten Spezialprozessors (1) über den Steuerrechner (3) Steuerinformationen für das Sensorsystem bereitgestellt werden und der zweite Spezialprozessor (2) über einen dritten Port mit dem Pufferspeicher des ersten Spezialprozessors (1) in Verbindung steht und Mittel zur nutzerspezifischen bzw. aus der Analyse der Vorfeldinformation ableitbaren Datenkompression und Bildvorverarbeitung enthält,

   - am Ausgang des zweiten Spezialprozessors (2) die vorverarbeiteten Bilddaten anliegen und diese Bilddaten über den Steuerrechner (3) dem Bilddatenspeicher (8) zugeführt werden, weiterhin der Steuerrechner (3) einen Eingang aufweist, welcher mit der Einrichtung zur Flugdatengewinnung (5) in Verbindung steht,

   - über einen vierten Port der Steuerechner (3) mit dem Operatorterminal (7) sowie über einen fünften Port mit der Stabilisierungseinrichtung (6) des Aufnahmesystems und über einen sechsten Port mit dem Vorfeldsensor (9) verbunden ist, *

   - ein siebenter Port des Steuerrechner (3) am Hauptfeldsensor (10) angeschlossen ist und die Speicheranordnung (4), welche über einen achten Port mit dem Steuerrechner (3) in Vorbindung steht, eine Datenbank typischer Objektmerkmale und Strahlungsbedingungen aufweist.