DE3708683A1 - Verfahren zur bestimmung von lageaenderungen einer bewegten bildsensorplattform - Google Patents
Verfahren zur bestimmung von lageaenderungen einer bewegten bildsensorplattformInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein System zum Erfassen von Lageände
rungen einer in Luft oder im Raum schwebenden Plattform,
z.B. eines Bildsensors, der sich an einem Raumfahrzeug oder
Luftfahrzeug befindet. Insbesondere betrifft die Erfin
dung ein System zum Erfassen von Lageänderungen unter Ver
wendung einer Geländeabbildungstechnik.
Multispektrale Bildabtaster sind üblicherweise an bewegten
Luftfahrzeugen oder Satelliten vorgesehen, um Bilder des
Geländes aufzuzeichnen, während sie über die Erdoberfläche
hinwegfliegen. Die Bilder werden als Daten aufgezeichnet,
die aus einer Reihe von Abtastzeilen bestehen, deren rela
tive Orientierung gegenüber anderen Abtastzeilen sich än
dern kann, während sich das Luft- oder Raumfahrzeug längs
seines Flugweges bewegt. Die Lage des Luft- oder Raumfahr
zeugs ist Störeinflüssen durch Roll-, Nick-, Gier-, Höhen
und Geschwindigkeitsänderungen ausgesetzt, die in das Ge
ländebild unsystematische geometrische Verzerrungen ein
führen. Im Falle eines Luftfahrzeugs ergeben sich solche
Störungen durch Windböen, Änderungen der Luftdichte und
unerwartete Kursänderungen. Störungen bei einem Satelli
ten sind subtiler, können jedoch auch von atmosphärischen
Stößen (in niedrigem Orbit) orbitalen Steuermanövern und
Änderungen des Satellitenschwerpunkts (d.h. Kraftstoff
verbrauch, Orientierungsänderungen der Antennen und Solar
generatoren) herrühren.
Um die Geometrie der "rohen" Bilddaten zu korrigieren, ist
es normalerweise möglich, Bildpunkte mit Bodenkontrollpunkten
auf Karten für jeweils wenige Abtastzeilen der Bilddaten
zu identifizieren, indem Abbildungen für die genaue Posi
tion von Eigenschaften gesucht werden, die bestimmten
Bildpunkten in den Bilddaten entsprechen und dann das ge
samte Bild verzerrt und nochmals abgetastet wird, wodurch
man die beste Entsprechung für alle Geländekontrollpunkte
erhält. Diese Möglichkeit ist jedoch hinsichtlich Zeit-
und Arbeitsaufwand besonders kostspielig, denn die aufge
zeichneten Bildaten müssen manuell mit der Position von
Geländekontrollpunkten korreliert werden, und die Korrek
tur hängt ausschließlich von der Genauigkeit und der Dichte
der Geländekontrolle ab. Eine weitere Lösung dieses Problems
arbeitet mit Horizontsuchern, Sternzeigern und Trägheitsna
vigationssystemen an Bord des Luft- oder Raumfahrzeugs.
Diese Lagesensoren ermitteln und speichern Lageänderungs
daten, die zur teilweisen geometrischen Korrektur der Bild
daten erforderlich sind. Solche Daten sind aus mindestens
drei Gründen nicht optimal: Erstens verwenden sie Eigenschaf
ten oder Trägheitsreferenzen, die nicht ein unmittelbarer
Teil der aufgezeichneten Geländedaten sind, zweitens können
sie dieselben Kosten verursachen wie der Primärsensor, und
drittens sind ihr Gewicht und ihr Leistungsbedarf in einigen
Anwendungsfällen zu groß.
Es besteht deshalb ein Bedürfnis für ein leichtes, wirksa
meres und billigeres System zum Ermitteln und Aufzeichnen
der Lageänderungen einer Plattform, beispielsweise einer
Bildsensorplattform, die für Geländeabbildungen in Luft-
oder Raumfahrzeugen geeignet ist.
Zur Lösung der diesem Bedürfnis zugrundeliegenden Aufgabe
sieht die Erfindung ein System zur Ermittlung von Lageän
derungen einer Bildsensorplattform für Geländeabbildung
in Luft- oder Raumfahrzeugen vor, bei dem ein zweiter
Sensor verwendet wird, der vorzugsweise einen zweidimen
sionalen panchromatischen Bildsensor enthält, und wobei
ferner ein digitaler Bildkorrelator zum Vergleich sukzessi
ver, überlappender und augenblicklich erhaltener zweidimen
sionaler Geländebilddaten verwendet wird. Der zweite Sen
sor erzeugt eine Reihe von Haupt- und Nebenbildern, wobei
jedes Nebenbild zu einem Hauptbild wird, wenn ein nachfol
gendes Nebenbild erzeugt wird. Eine digitale Bildkorrela
tion wird zur Identifikation mehrerer (vorzugsweise fünf)
Bildelemente auf dem Hauptbild mit denselben geographischen
Punkten auf dem Nebenbild durchgeführt. Die Korrelation
wird durch Auswahl mehrerer (vorzugsweise fünf) räumlich
verteilter Felder von Bildpunktanordnungen in dem Neben
bild und durch nachfolgendes Bewegen dieser Anordnungen um
das Hauptbild herum durchgeführt, um für jedes Feld den
Grauskala-Korrelationskoeffizienten zu finden. Die Stellen
mit den höchsten Korrelationskoeffizienten werden als wahre
Stellen der Nebenbilder relativ zum Hauptbild gewählt. Die
Reihe und Spalte der korrelierten Bildpunkte in dem Neben
bild werden aufgezeichnet, und die relative Orientierung
des Nebenbildes zum Hauptbild wird ermittelt, indem die
Koplanaritätsbedingung der Fotogrammetrie angewendet wird.
Die relative Orientierung der Haupt- und Nebenbilder charak
terisiert einheitlich die neue Lage der Sensorplattform,
d.h. die Änderung der Lage der Plattform zwischen den Zeit
punkten, zu denen die Haupt- und Nebenbilder aufgezeichnet
wurden. Die mit dem zweidimensionalen Bildsensor erhaltenen
Daten können zur späteren Verwendung gespeichert werden,
oder sie werden in Realzeit verarbeitet, um Informationen
zu erhalten, die die Änderungen der Sensorplattform und
die korrekte Geometrie der Geländebilddaten kennzeichnen,
welche mit dem Primärsensor aufgezeichnet wurden.
Die Erfindung führt also zu einem System zum Ermitteln von
Änderungen der Lage einer in der Luft oder im Raum bewegten
Plattform, z.B. eines multispektralen Abtasters (Sensors)
für Geländeabbildung, das besonders einfach, genau, preis
wert und zuverlässig ist. Dabei werden Lageänderungen der
Sensorplatteform unter Verwendung mathematischer Verfahren
ausgewertet, die von einem Rechner durchführbar sind. Das
System kann auch dazu eingesetzt werden, Störungen in Ge
ländedaten eines durch Fernabtastung gewonnenen Geländebil
des entweder mit nahezu Realzeitbasis oder rechnerunabhängig
zu korrigieren. Das System kann ferner Informationen über
Höhen- und Geschwindigkeitsänderungen einer in Luft oder im
Raum bewegten Plattform liefern. Außerdem kann das System
mit konventionellen Luft- und Raumsensoren arbeiten und
in einer besonders leichten und kompakten Einreichung ver
wirklicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an
hand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Dar
stellung des Abtastbereiches eines Gelände
bildsensors, der an einer bewegten Platt
form, typisch an einem Satelliten oder
an einem Luftfahrzeug, angeordnet ist, wobei
kleinere Stabilitätsstörungen dargestellt
sind, die signifikante geometrische Verzerrun
gen der Geländedaten verursachen,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Dar
stellung des geometrischen Zusammenhangs
zwischen dem Geländebildsensor und dem
Lagesensor gegenüber dem abgetasteten
Gelände,
Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstel
lung aufeinander folgender und einander
überlappender Haupt- und Nebenbilder, die
von dem Lagesensor aufgezeichnet werden,
Fig. 4 eine schematische Darstellung sequentieller
Haupt- und Nebenbilder, wobei identische
geographische Punkte der Bilder jeweils
durch Kreise und Punkte bezeichnet sind,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Haupt-
und Nebenbilder nach Durchführung der
Korrelation, wobei die identischen geogra
phischen Punkte zweier Bilder durch koinzi
dente Kreise und Punkte dargestellt sind,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Haupt
bildes und der aus dem Nebenbild erhaltenen
Bildpunktfelder oder -anordnungen, die
mathematisch überlagert und relativ zu
einander verschoben sind,
Fig. 7 eine Seitenansicht von Haupt- und Nebenbild,
bei der die einzige Lageänderung der Sensor
plattform eine Höhenänderung ist,
Fig. 8 eine Seitenansicht von Haupt- und Nebenbild,
bei der die einzige Lageänderung der Sensor
plattform eine Geschwindigkeitsänderung ist,
Fig. 9 eine Seitenansicht von Haupt- und Neben
bild, bei der die einzige Lageänderung der
Sensorplattform eine Nickänderung ist, und
Fig. 10 bis 13 Programmabläufe für die Anwendung des
erfindungsgemäßen Systems.
In Fig. 1 ist ein System zum Ermitteln und Messen der Lage
änderungen einer Sensorplattform an Bord eines bewegten Fahr
zeugs, beispielsweise eines Satelliten 10 oder eines Luft
fahrzeugs 12, dargestellt, das sich längs eines bestimmten
Flugwegs 13 bewegt. Änderungen des Ortes und der Lage der
Plattform führen zu Änderungen der Sensororientierung gegen
über dem Gelände, das abzubilden ist, und bewirken unsyste
matische geometrische Verzerrungen der Geländebilddaten.
Beispielsweise kann die Plattform aus einem panchromatischen
oder einem multispektralen Abtaster (Sensor) bestehen, der
das Gelände unter der Plattform einsieht und elektronische
Signale erzeugt. Diese Signale können mit einem Rechner
zu Bildern des Geländes unter dem Flugweg 13 verarbeitet
werden, während sich die Plattform über die Erdoberfläche
bewegt. Der Bildsensor hat ein Sichtfeld 14, das längs eines
Abtastweges 16 über die Erdoberfläche wandert. In der fol
genden Beschreibung wird der Bildsensor als Primärsensor
bezeichnet, der entweder ein optisch-mechanischer Sensor
oder der modernere Typ sein kann, bei dem eindimensionale
lineare Anordnungen verwendet werden und der üblicherweise
als "Push Broom"- oder als "Multilinear Array"-Abtaster
bezeichnet wird. Eine panchromatische (schwarz-weiß) Dar
stellung des letzteren Typs wird beispielsweise erläu
tert. In beiden Fällen enthält der Bildsensor lichtempfind
liche Detektorelemente, die in einer gemeinsamen Ebene an
geordnet sind, sowie optische Elemente und verschiedene
Arten elektronischer Komponenten. Die Orientierung oder
Lage der Bildebene, die Ausrichtung der optischen Elemente
und die Höhe des Sensors über dem Gelände bestimmen das
Sichtfeld auf der Erdoberfläche.
Wie Fig. 2 zeigt, kann ein einfacher Geländesensor eine
eindimensionale oder lineare Anordnung 20 enthalten, auf
die ein linearer Streifen 18 des Geländes mit einer Op
tik 24 fokussiert wird. Eine wiederholte Abtastung auf
einander folgender Geländestreifen mit dem Linearsensor 20
und die Vorwärtsbewegung der Sensorplattform führen zu
einem Satz von Bilddaten-Abtastzeilen, die in einem Rech
ner zur Erstellung eines zusammengesetzten Bildes der
von dem Sichtfeld des Sensors überstrichenen Fläche ge
nutzt werden kann.
Im Idealfall wird die am Satelliten 10 oder Luftfahrzeug 12
vorgesehene Sensorplattform versuchen, einen stetigen oder
linearen Flugweg 13 bei konstanter Geschwindigkeit, Lage
und Höhe beizubehalten, wenn die Erdoberfläche mit dem Ge
ländebildsensor 20 abgetastet wird, so daß aufeinander
folgende Bildabtastzeilen in genauer geometrischer Beziehung
zu zuvor aufgezeichneten Abtastzeilen aufgezeichnet werden.
Tatsächlich treten jedoch unsystematische Änderungen der
Lage, Höhe und Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs 12 in
folge von Windböen, Änderungen der Luftdichte und unerwar
teter Kursänderungen auf, oder im Falle eines Satelliten 10
werden solche Änderungen durch atmosphärische Stöße,
orbitale Steuermanöver und Änderungen des Satellitenschwer
punktes durch Kraftstoffverbrauch und Ausrichtungsänderun
gen von Antennen und Solargeneratoren usw. hervorgerufen.
Diese "Plattformänderungen" resultieren in entsprechenden
Änderungen der Lage des Geländebildsensors 20, durch die
wiederum geometrische Ungenauigkeiten in die Bilddaten ein
geführt werden. Es ist extrem schwierig, solche Ungenauig
keiten der Bilddaten durch nachfolgende Bildverarbeitung
zu beseitigen, ohne daß eine genaue Kenntnis der Frequenz
und Größe der auf den Sensor 20 einwirkenden Störungen be
steht. Die Erfindung führt nun zu einem System zur Ermittlung
der Lage-, der Höhen- und der Geschwindigkeitsänderungen
der Plattform zur Geländebildabtastung. Sie beruht auf
der Erkenntnis, daß Änderungen der Plattformlage durch
Vergleich zweier zweidimensionaler, einander überlappen
der Geländebilder ermittelt und gemessen werden können,
die von einem zweiten Bildsensor augenblicklich aus zwei
Punkten längs des Flugweges erhalten werden können.
Wie Fig. 2 zeigt, ist ein zweiter Geländebilddetektor
oder Sensor 22 auf derselben Plattform wie der primäre
Bildsensor 20 angeordnet und kann eine handelsübliche
zweidimensionale Anordnung lichtempfindlicher Elemente
enthalten, die in einer gemeinsamen Bildebene angeordnet
sind. Der zweite Sensor 22 ist so montiert, daß seine Bild
ebene parallel oder vorzugsweise koplanar mit derjenigen
des ersten Linearsensors 20 liegt. Geeignete elektronische
Schaltungen (nicht dargestellt) üblicher Art dienen zur
elektronischen Abtastung der zweiten Sensoranordnung 22
zwecks Erzeugung eines synoptischen digitalen Bildrasters
(d.h. alle Bilddaten eines Bildfeldes werden von ein und
derselben Stelle aus oder in ein und demselben Zeitpunkt
auf dem Flugweg erhalten) des gesamten oder eines Teils
des mit dem Primärsensor 20 abgetasteten Geländes. Diese
letztgenannten Bilddaten dienen als Referenz, mit der
Lage-,Höhen- und Geschwindigkeitsänderungen festgestellt
und gemessen werden. Wie in Fig. 2 konzeptartig gezeigt,
überlappt der Abtastbereich 26 des zweiten Sensors 22
über die Optik 24 den Abtastbereich der Linearanordnung 20.
Obwohl dies in technischer Hinsicht vorteilhaft sein kann,
muß diese Konfiguration nicht unbedingt vorgesehen sein,
jedoch muß der Sensor 22 einander überlappende zweidimen
sionale Bilder eines Bezugsgeländes aufzeichnen.
Gemäß Fig. 3 dient der Sensor 22 zur Aufzeichnung einer
Reihe einander überlappender Bilder entsprechend den Ab
tastbereichen 26 auf dem Erdboden. Jedes Bild oder Abtast
bereich 26 ist ein Hauptbild, während das nachfolgende
Bild ein Nebenbild des Hauptbildes ist. Das Zeitintervall
zwischen der Aufzeichnung aufeinander folgender Bilder
der Abtastbereiche 26 ist durch die Geschwindigkeit der
Sensorplattform, das Gesamtbildfeld des Sensors, die
nominale Frequenz der Lage-, Geschwindigkeits- und Höhen
änderungen der Sensorplattform, die räumliche Auflösung
eines Elements der zweidimensionalen Anordnung 22 und
die räumliche Auflösung eines Elements der Linearanordnung
20 bestimmt. Der Abtastbereich 26 ändert seine Position
und Größe entsprechend den Änderungen der Lage, Geschwin
digkeit und Höhe der Sensorplattform 12, die als ein Luft
fahrzeug dargestellt ist. Beispielsweise entspricht der
Abtastbereich 26 a einer Gruppe von Bedingungen, für die
die Sensorplattform 12 sich auf ihrem vorgegebenen Flug
weg befinden möge und eine konstante Höhe und Geschwindig
keit haben soll. Der Abtastbereich 26 b repräsentiert den
Erdbereich, der abgebildet wird, wenn die Sensorplatt
form 12 eine Rollbewegung durchführt. Der Abtastbereich 26 d
repräsentiert das Bild, das sich ergibt, wenn die Sensor
plattform 12 über die Höhe hinaus steigt, die sie bei dem
zuvor erhaltenen Bild hatte. Die entsprechenden Änderungen
des von dem Geländebildsensor 20 aufgezeichneten Bildes
sind in Fig. 1 gezeigt. In jedem Falle ist es vorteilhaft,
wenn die Änderungen des mit der Linearanordnung 20 auf
gezeichneten Bildes direkt auf die Änderungen der Bilder
bezogen sind, die der Sensor 22 aufzeichnet, da beide
Sensoren 20, 22 Bildebenen haben, die relativ zueinander
fix angeordnet sind und deshalb durch externe Einflüsse
gleichartig gestört werden.
Im folgenden wird eine Übersicht über das System gegeben,
auf die eine eingehendere Beschreibung anhand der Figu
ren folgt. Ein Raumverlagerungsfaktor zwischen dem Haupt
bild und den nachfolgenden Nebenbildern kann aus der
Geschwindigkeit und Höhe der Sensorplattform 12 vorbestimmt
werden und wird dann als Einflußfaktor für die Bildraster,
d.h. die Sätze digitaler Daten verwendet, die jeweils das
Haupt- und die Nebenbilder repräsentieren. Das Haupt- und
die Nebenbilder werden dann registriert, und es werden
minimal drei, jedoch vorzugsweise 5 Bildpunkte des Haupt
bildes zur Korrelation mit entsprechenden Bildpunkten in
drei oder fünf Feldern des Nebenbildes getestet. Eine
genaue Korrelation ergibt sich, wenn keine Änderungen der
Geschwindigkeit, der Höhe (verglichen mit angenommenen
Nennwerten) oder der Lage (Gieren, Rollen oder Nicken)
in diesem Segment der Flugbahn der Sensorplattform auftre
ten. Bei einer weniger genauen Korrelation werden mehrere
geometrische Verschiebungen auf Felder des Nebenbildes
angewendet, und die Korrelation des Hauptbildes wird wie
derholt. Die auf die Nebenbildfelder angewandten Verschie
bungen, die mit dem Hauptbild am besten korrelieren, kenn
zeichnen die Geometrie einer Änderung gegenüber dem vor
bestimmten Ort (d.h. Geschwindigkeit und Höhe) und der
Lage der Sensoren 20, 22. Mit anderen Worten: die drei
oder mehr Bildpunkte in dem Nebenbild, die den höchsten
Korrelationskoeffizienten zwischen dem Hauptbild und den
Nebenbildern angenommen haben, bestimmen die Orientierung
der zweidimensionalen Anordnung des Sensors 22 und damit
die Änderung des Ortes und der Lage des Sensors 20 zwischen
den Zeitpunkten, zu denen das Hauptbild und die Nebenbil
der aufgezeichnet wurden. Es ist deshalb möglich, die
relative Zeitänderung des Ortes und der Lage der Sensor
plattform bezüglich der Hauptbilddaten zu bestimmen, die
zuvor durch Ermittlung von Lagedaten mit dem Bildsensor
über einer Referenzfläche des Geländes erhalten wurden.
Die absolute Lage der Sensoren 20, 22 kann am besten be
stimmt werden, wenn die Geländebezugsfläche bekannt ist.
Diese absolute Lagebestimmung ist jedoch etwas praktischer
für eine Satelliten-Sensorplattform, die innerhalb von
Stunden oder Tagen über ein und dasselbe Gelände wandert,
als für eine Sensorplattform in einem Luftfahrzeug. Wenn
die Referenzfläche auf dem Gelände nicht bekannt ist, so
wird die Lageänderung der Sensorplattform und die Änderung
gegenüber ihrem zu erwartenden Ort mit dem Sensorsystem 22
bezüglich der Lage und dem Ort über der zuvor aufgezeich
neten Referenzfläche ermittelt. Dies reicht aus, um die
mit dem Geländebildsensor 20 für Höhe-, Geschwindigkeits-
und Lageänderungen aufgezeichneten Bilder zu korrigieren,
die während der Zeit auftraten, die zum Erhalt von minde
stens zwei Bildabtastzeilen mit dem Bildsensor 20 erfor
derlich ist.
Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, die einander über
lappende Haupt- und Nebenbilder zeigt, die mit A und B
bezeichnet sind. Mehrere Geländereferenzpunkte auf dem
Nebenbild sind durch Kreise 28 gekennzeichnet. Dieselben
Referenzpunkte sind auf dem Hauptbild durch Punkte 30
gekennzeichnet, wobei die Pfeile die Kreise 28 mit den
entsprechenden Punkten 30 korrelieren. Wie in Fig. 4
gezeigt ist, sind das Haupt- und das Nebenbild A und B
in der Geometrie des überlappenden Teils des Nebenbildes
dargestellt "wie erhalten". Der Grad der Überlappung wurde
mathematisch vorbestimmt unter Zugrundelegung des Zeit
intervalls zwischen dem Aufzeichnen des Haupt- und des
Nebenbildes und der vorherbestimmten Geschwindigkeit und
Höhe der Sensorplattform 12.
Es ist dann erforderlich, die geometrische Orientierung
des Nebenbildes relativ zum Hauptbild zu bestimmen, so
daß die entsprechenden Punkte 28, 30 des Geländes auf
einander ausgerichtet sind, d.h. wenn die Geländepunkte 28,
30 korreliert sind und geometrisch zusammenfallen. Die
geometrische Lage des Nebenbildes, die in koinzidenten
Geländepunkten 28, 30 resultiert, kann von mehreren Ge
ländepunkten des Nebenbildes abgeleitet werden. Diese
Punkte repräsentieren eine hohe Korrelation mit denselben
Punkten, die auf dem Hauptbild aufgezeichnet sind. Dies
erfolgt durch Auswahl von mindestens drei oder vorzugs
weise fünf räumlich verteilten Referenzpunkten auf dem
Nebenbild. Obwohl es aus einfachen Regeln der Geometrie
bekannt ist, daß nur drei Punkte zur Definition einer
Ebene erforderlich sind, ist nicht anzunehmen, daß das
Gelände, welches die zu korrelierenden Punkte enthält,
eine einfache Ebene ist oder daß die Höhenlage eines je
den Punktes dieses Geländes bekannt ist. Deshalb ist es
normalerweise erforderlich, sich auf relative Orientierungs
prinzipien der Fotogrammetrie zu verlassen, die minde
stens fünf Punkte erfordern, welche im Nebenbild und im
Hauptbild (korreliert) identifizierbar sind, um alle
Variablen zu bestimmen, die das mathematische Orientie
rungsproblem im relativen Sinne lösen, d.h. das Nebenbild
relativ zum Hauptbild. Die Koplanaritätsbedingung der
Fotogrammetrie erfordert, daß für jeden der fünf gewählten
Punkte der den jeweiligen Erdpunkt mit der Kameraoptik
und dem entsprechenden Punkt auf dem Filmbild zu einem
ersten Zeitpunkt verbindende Strahl und der denselben
Erdpunkt mit der Kameraoptik und dem entsprechenden Punkt
auf dem zweiten Filmbild zu einem zweiten Zeitpunkt ver
bindende Strahl in einer einzigen Ebene liegen. Die rela
tive Orientierungsoperation erfordert, daß mindestens
fünf Strahlenpaare (gefunden nach der Koplanaritätsbedingung)
einander in den beiden Anordnungen schneiden. Die Kopla
naritätsbedingung und die diese definierenden Gleichungen
sind eingehender in Manual of Photogrammetry, American
Society of Photogrammetry, 4. Auflage, Seiten 55 ff, Copy
right 1944, 1952, 1966, 1980 diskutiert. Die Kenntnis des
Inhalts dieser Veröffentlichung wird in der vorliegenden
Beschreibung vorausgesetzt.
In Fig. 6 sind fünf Felder 34 bis 42 des Nebenbildes aus
gewählt zur Korrelation mit den Referenzpunkten 37 des
Hauptbildes. Jedes Feld 34 bis 42 ist als eine 9×9-Anord
nung von Bildpunkten dargestellt. Eine Korrelation wird
durchgeführt, um den Korrelationsgrad der Grauskala (Hellig
keit) zwischen jedem Bildpunkt in den Feldern 34 bis 42
des Nebenbildes und dem entsprechenden Referenzpunkt 37
des Hauptbildes zu bestimmen. Die Grauskalenintensität
oder Helligkeit ist ein Wert, der eine Funktion der mittle
ren integrierten Strahlung auf den Erdpunkt ist, welcher
durch einen Bildpunkt dargestellt wird. Effektiv werden
die Nebenbildfelder 34 bis 42 in X- und Y-Richtung (bezo
gen auf Fig. 6) schrittweise weiterbewegt, so daß eine
Korrelation zwischen jedem X,Y-Ort in den Nebenbildfel
dern 34 bis 42 und dem entsprechenden Referenzbildpunkt 37
erfolgt. Dieses Bilddaten-Verarbeitungsverfahren wird manch
mal auch als "Nachbarschaftsverarbeitung" bezeichnet. Der
Bildpunkt mit dem höchsten Korrelationskoeffizienten in
den Nebenbildfeldern 34 bis 42 wird dann ausgewählt, und
sein X,Y-Ort in dem Bildfeld wird aufgezeichnet. Die
aufgezeichneten Orte der Bildpunkte mit dem höchsten Korre
lationsgrad in den Nebenbildfeldern 34 bis 42 bestimmen
die wahren Orte der Nebenbildfelder 34 bis 42 und somit
des gesamten Nebenbildes relativ zum Hauptbild. Fig. 5
zeigt das Nebenbild B in räumlicher Ausrichtung relativ
zum Hauptbild A, nachdem das Nebenbild geometrisch in zwei
Dimensionen relativ zum Hauptbild "verzerrt" wurde, so
daß die Referenzpunkte 28, 30 zusammenfallen.
In Fig. 10 bis 13 ist ein Ablaufplan für ein typisches
Rechnerprogramm dargestellt, das auf der Grundlage des
vorstehend beschriebenen Systems arbeitet. Fig. 10 zeigt
den ersten Schritt 44 des Programms, der für aufeinander
folgende Orte längs des Flugweges durchgeführt wird, um
die Haupt- und Nebenbilddaten zu erhalten. Dann wird eine
Bildkorrelation in Feldern des Überlappungsbereichs von
Haupt- und Nebenbild durchgeführt, um korrelierte, einan
der entsprechende Punkte in dem Geländeteil zu identifi
zieren, der zweimal abgebildet wurde. Der zweite Schritt
46 bestimmt die relative Orientierung der Nebenbildebene
bezüglich der Hauptbildebene unter Verwendung der Prin
zipien der relativen Orientierung aus der vorstehend be
schriebenen Fotogrammetrie, gemäß denen mindestens fünf
korrelierte, einander entsprechende Punkte erforderlich
sind, die in dem Haupt- und dem Nebenbild enthalten sind.
Die Subroutine zur Durchführung des Schritts 44 ist in
Fig. 11 und 12 gezeigt. Der erste Schritt 48 der Subroutine
besteht darin, daß dieselbe Versetzung angewendet wird, die
zuvor aus dem Haupt/Nebenbild-Korrelationsverfahren ab
geleitet wurde, oder aber ein auf der Grundlage der nomi
nalen Plattformgeschwindigkeit, multipliziert mit dem
Abtastintervall des Bildsensors, geschätzter Wert. Der
Überlappungsbereich wird dann im Schritt 50 in mindestens
fünf oder mehr Felder aufgeteilt, wenn eine relativ große
zweidimensionale Bilderzeugungsanordnung als Lagesensor
verwendet wird, oder die fünf oder mehr Geländebildfelder
werden von fünf oder mehr relativ kleinen zweidimensiona
len Anordnungen wie vorstehend beschrieben erzeugt. Ein
zweidimensionales Korrelationsverfahren wird dann in
Schritt 52 für jedes Haupt- und Nebenbilddatenfeld durch
geführt. Hierzu wählt ein Rechner gemäß Schritt 54 in
Fig. 12 den sogenannten Kandidatenbereich für einen Paß
punkt in dem Hauptbild, der den stärksten Kontrast und/
oder Punkt in einem zweidimensionalen Bild hat. Ein ana
loges, äquivalentes Verfahren zur visuellen Überprüfung
würde darin bestehen, daß eine bestimmte Bildpunktgruppe
ausgewählt wird. Bei Schritt 56 werden weitere Kandidaten
verarbeitet, wenn der Paßkandidat des Hauptbildes keine
passend hohe Korrelationsspitze im Nebenbild hat. Andern
falls wird das Programm auf Schritt 52 geführt.
Die Subroutine zur Durchführung des Schrittes 46 (Fig. 10)
ist in der Fig. 13 dargestellt. Eine Schätzung der Orientie
rungsparameter wird zunächst bei Schritt 58 durchgeführt,
worauf ein mathematischer Schritt 60 folgt, bei dem die
Quadrate der Abweichung von dem Idealzustand der Koplana
rität von Haupt- und Nebenbild für fünf oder mehr Paare
korrelierter Bildpunkte minimiert werden. Bei Schritt 62
wird bestimmt, ob die Abweichungen unter einem Schwellen
wert liegen, der durch die geometrischen Genauigkeitsan
forderungen bestimmt ist, die an die von dem primären Bild
sensor erhaltenen Daten zu stellen sind. Wenn die Abwei
chungen unter dem Schwellwert liegen, so wird der Schritt 60
wiederholt. Andernfalls wird die Subroutine beendet. Das
Ausgangsprodukt dieses Verfahrens ist eine Zusammenstellung
von Gleichungen, die aufeinander folgende Bildebenen und
damit die Orte und Lagen des primären Bildsensors und
seiner Plattform beschreiben. Diese Gleichungen ermög
lichen genaue geometrische Korrekturen der von dem Primär
sensor erhaltenen Bilddaten entweder in einem relativen
Sinne bezüglich der zuvor aufgezeichneten Bilddaten dieses
"Flugsegments" oder in einem absoluten Sinne bezüglich
einer Karte des Geländes. Der letztere Fall erfordert eine
Bilddatenbasis aus eindeutig identifizierbaren Gelände
abschnitten einschließlich ihrer Kartenkoordinaten und
Höhenlagen, die eine Orientierung eines Haupt- oder Neben
bildes relativ zum Gelände ermöglichen, wobei die vor
stehend beschriebenen Korrelations- und Koplanaritäts
prüfungsverfahren angewendet werden.
Claims (17)
1. Verfahren zur Bestimmung von Lageänderungen einer Platt
form, die in der Luft oder im Raum längs eines Flugweges
über der Erde bewegt wird, insbesondere eines Sensors,
der nacheinander zweidimensionale Bilder der Erdoberfläche
längs des Flugweges aufzeichnet, gekennzeich
net durch folgende Schritte:
- A) Erzeugen eines ersten Datensatzes entsprechend Bild elementen eines ersten zweidimensionalen Bildes der Erdoberfläche an einer ersten Stelle des Flugweges,
- B) Erzeugen eines zweiten Datensatzes entsprechend Bild
elementen eines zweiten zweidimensionalen Bildes der
Erdoberfläche an einer zweiten Stelle des Flugweges
mit geringem Abstand zur ersten Stelle, so daß die
beiden Bilder einander mindestens teilweise überlap
pen,
wobei die Bildelemente entsprechend ihren jeweiligen Orten auf entsprechenden Bildern unterschiedliche Inten sität haben und die einander entsprechenden Bildelemente des ersten und zweiten Bildes in den überlappenden Ab schnitten um einen Betrag gegeneinander versetzt sind, der auf Lageänderungen der Plattform bezogen ist, und - C) Korrelieren von mehreren, vorzugsweise fünf, ent sprechenden Bildelementen des ersten und des zweiten Bildes in den überlappenden Abschnitten, wobei die relativen Orte der korrelierten Bildelemente die Lageänderungen der Plattform angeben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net , daß in Schritt C) mindestens drei, vorzugsweise
mindestens fünf voneinander beabstandete NxM-Anordnungen
von Bildelementen in einem der Bilder ausgewählt werden,
daß mindestens drei, vorzugsweise mindestens fünf von
einander beabstandete Referenzbildelemente in dem anderen
Bild ausgewählt werden, die jeweils den mindestens drei
bzw. mindestens fünf NxM-Anordnungen zugeordnet sind,
und daß die ausgewählten Referenzbildelemente mit jedem
der Bildelemente der zugeordneten NxM-Anordnungen ver
glichen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net , daß in Schritt C) der Reihen- und Spaltenort des
Bildelements in jeder der NxM-Anordnungen aufgezeichnet
wird, das die höchste Korrelation mit dem zugeordneten
Referenzbildelement hat, und daß die Ebene bestimmt wird,
die die Bildelemente in den NxM-Anordnungen enthält,
welche die höchste Korrelation mit den zugeordneten Re
ferenzbildelementen haben.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net , daß die Lage der bestimmten Ebene relativ zu der
Ebene des ersten Bildes bestimmt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß in Schritt C)
mehrere, vorzugsweise fünf zueinander beabstandete Bild
elemente in dem ersten Bild ausgewählt werden und daß
die Orte der ausgewählten Bildelemente in dem zweiten
Bild vorherbestimmt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich
net, daß das Vorherbestimmen der Orte der ausgewählten
Bildelemente durch Bestimmen der Orte von ausgewählten
Bildelementen in zuvor erzeugten Bildern der Erdoberfläche
erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zur Bilderzeu
gung zwei Sensoren verwendet werden, die derart fest zu
einander angeordnet sind, daß ihre Bildebenen parallel
zueinander liegen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Schritte A)
und B) durch Fokussieren von Bildern der Erdoberfläche
auf eine zweidimensionale Anordnung lichtempfindlicher
Elemente durchgeführt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste
und das zweite Bild aufeinander ausgerichtet werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß auf den zwei
ten Datensatz eine geometrische Versetzung angewendet
wird.
11. Digitales Bildverarbeitungsverfahren zur Bestimmung von
Änderungen des Ortes oder der Lage einer in der Luft
oder im Raum längs eines Flugweges über eine Fläche hin
weg bewegten Plattform, die einen Bildsensor trägt, ge
kennzeichnet durch folgende Schritte:
- A) Erzeugen eines ersten synoptischen Bilddatensatzes der Fläche aus der Perspektive einer ersten Stelle längs des Flugweges und Verwendung eines Bildsensors, der eine zweidimensionale Bilderzeugungsanordnung ent hält, zur Erzeugung einer Anordnung von Bildelementen eines ersten zweidimensionalen Bildes der Fläche mit N Zeilen zu jeweils M Bildelementen,
- B) Erzeugen eines zweiten Datensatzes mit dem Bildsen
sor aus der neuen Perspektive einer zweiten Stelle
längs des Flugweges, wobei der zweite Datensatz eine
neue Anordnung von Bildelementen eines zweiten zwei
dimensionalen Bildes der Fläche wiedergibt, die an
einer zweiten Stelle mit solchem Abstand längs des
Flugweges von der ersten Stelle aufgenommen wurden,
daß die Bildanordnungen einander überlappen,
wobei die Bildelemente entsprechend dem Emissionsgrad einer vielgestaltigen Zusammenstellung von Elementen der Fläche unterschiedliche Intensität haben und die einan der entsprechenden Bildelementsätze in den überlappenden Teilen der ersten und zweiten Bildanordnung gegeneinander um einen Betrag versetzt sind, der auf Änderungen des Ortes und der Lage der Plattform bezogen ist, und - C) Vergleichen von mindestens fünf räumlich verteilten Feldern von Bildelementen in dem überlappenden Teil der ersten und zweiten Bildanordnung und Identifi zieren von mindestens fünf stark korrelierten Bild element-Paßpunkten in dem überlappenden Teil der ersten und zweiten Bildanordnung, wobei die relativen Posi tionen der stark korrelierten Bildelement-Paßpunkte bezüglich ihrer individuellen Orte auf der jeweili gen Bildanordnung eine eindeutige Funktion der Ände rungen des Ortes und der Lage der Plattform sind.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß die Schritte B) und C) mit zwei zweidimensio
nalen Bildanordnungen durchgeführt werden, die miteinan
der koplanar in einer gemeinsamen Bildebene liegen und
räumlich in dem Gesamtbildfeld des Bildsensors verteilt
sind.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß in Schritt C) mindestens fünf zu
einander beabstandete Felder von Bildelementen in einem
der Bilder ausgewählt werden, daß mindestens fünf zu
einander beabstandete Referenzbildelemente einschließlich
Fenster von Nachbarbildelementen in dem anderen Bild
ausgewählt werden, wobei die Fenster jeweils in einem
vorherbestimmten Bereich der fünf Felder liegen, und
daß jedes der fünf Referenzbildelemente und ihre ent
sprechenden Fenster von Nachbarbildelementen mit jedem
der Bildelemente und ihren Fenstern von Nachbarbild
elementen in dem zugeordneten Feld korreliert werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß in Schritt C) der Reihen
und Spaltenort desjenigen Bildelements in jedem Feld
aufgezeichnet wird, das die höchste Korrelation mit
dem zugeordneten Referenzbildelement hat, und daß fünf
Ort- und Orientierungsparameter berechnet werden, die
die geometrische Beziehung zwischen den beiden Bildern
wiedergeben, indem iterativ mindestens quadratische
Gleichungen auf die Abweichungen der fotogrammetrischen
Koplanaritätsbedingungen für die zehn oder mehr Bild
elemente angewendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß in Schritt C) min
destens fünf zueinander beabstandete Felder des zweiten
Bildes ausgewählt werden, und daß die Orte der ausgewähl
ten Felder in dem ersten Bild bestimmt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste und das
zweite Bild aufeinander ausgerichtet werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß auf den zweiten Daten
satz eine geometrische Versetzung angewendet wird.
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