DE69319050T2

DE69319050T2 - Flugzeugvermessungsverfahren und -gerät

Info

Publication number: DE69319050T2
Application number: DE69319050T
Authority: DE
Inventors: Alfredo Eduardo Prelat
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-07-27
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-07-28
Also published as: BR9303870A; JPH06214044A; US5471056A; CN1092162A; EP0589554A3; JP3388831B2; US5445453A; CN1043442C; EP0589554B1; EP0589554A2; DE69319050D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flugzeug-Multispektralsensorsystem, das Echtzeiterfassung von Bildern in vielen schmalen benachbarten Spektralbändern zum Erzeugen von Hyperspektralbilddaten benutzt, und insbesondere Bilddatensätze, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können, um spektrale Profile und einen spektralen Emissionsgrad zum Identifizieren von Bodenzielen zu erhalten.
Es gibt viele bekannte Geräte zur Flugzeugvermessung eines Geländes für viele Zwecke. Diese Geräte weisen im allgemeinen mehrere optische Abtasteinrichtungen auf, die auf den Boden gerichtet sind und Bilder erzeugen, die für einen schnellen Vergleich durch Computer in elektronische Signale umgewandelt werden. Zum Beispiel zeigt US-Patent Nr. 4,908,705 ein einstellbares Weitwinkelabbildungssystem, das insbesondere eine sehr schnelle Erkennung von geringen Höhen bewirkt. US-Patent Nr. 4,939,369 offenbart ein Abbildungs- und Zielverfolgungssystem, das Mehrfachsensoranordnungen benutzt. US-Patent Nr. 5,028,998 betrifft ein System, das ein elektronisches Zoom bereitstellt, um wirksam ein Bild konstanter Höhe zu erzeugen, wenn das Gelände sich ändert, während die Flugzeugplattform auf einer konstanten Durchschnittshöhe bleibt. US-Patent Nr. 5,047,783 liefert eine verbesserte Abbildung von Strahlungsdetektoren durch Rauschunterdrückung. US-Patent Nr. 5,116,118 beschreibt ein weiteres Flugzeugabbildungssystem.
Die Druckschrift flgeophysicsll, Band 52 Nr. 7, Juli 1987, Seiten 858 bis 874 beschreibt in einem Artikel von A.B. Kahle ein Verfahren zur Vermessung des Bodens aus der Luft, um Vermessungsdaten zu erfassen, und zur Berechnung der auftretenden wärmeträgheit der Oberflächenmaterialien des vermessenen Bodens anhand von Daten, die die erfaßten Daten einschließen, das umfaßt: Durchführen von ersten und zweiten Flugzeugvermessungen eines vorab bestimmten Bodengebietes, um erste und zweite Signale für jedes Pixel in dem vorab bestimmten Bodengebiet zu erhalten, wobei die ersten und zweiten Signale jeweils erwartete minimale und maximale Strahlungsoberflächentemperaturen während eines Tagessonnenzyklus repräsentieren.
Die vorliegende Erfindung ist gekennzeichnet durch Durchführen der zweiten Vermessung, um ein vorab bestimmtes Wellenband einzuschließen und ein drittes Signal zu erhalten, das die Albedo für jedes Pixel in dem vorab bestimmten Bodengebiet repräsentiert;
Verwendung einer Differenz -Globalpositionsbestimmungseinrichtung, um die Pixel von den ersten und zweiten Vermessungen mitzuspeichern, um dadurch einen Vergleich der ersten und zweiten Signale für jedes Pixel zu ermöglichen; und
Erzeugen eines die auftretende Wärmeträgheit der Oberflächenmaterialien des vermessenen Bodens repräsentierenden Signals für jedes Pixel als Antwort auf den Vergleich der ersten und zweiten Signale und des dritten Signals.
Das geophysikalische Verfahren erfordert die Verfügbarkeit von Landset Thematic Mapper (TM)-Reflexionsgraddaten und ist auf das Thermisches Infrarot-Band zwischen 8 und 12 Mikron beschränkt, wodurch nicht das Albedo-Signal erhalten wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die auftretende Wärmeträgheit in Echtzeit während des zweiten Fluges zu berechnen, da die Daten aufgezeichnet werden. Das in der vorliegenden Erfindung benutzte Differenz-Globalpositionsbestimmungssignal ermöglicht ein Mitspeichern der Pixel von den ersten und zweiten Vermessungen, um einen Vergleich der ersten und zweiten Signale für jedes Pixel in Echtzeit während des zweiten Fluges zu erlauben.
EP-A-509770 beschreibt ein Flugzeugabbildungsmultibandspektrometer, aber nicht die Verwendung desselben bei dem Verfahren und dem Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 2 eine Blockebenendarstellung ist, die schematisch die Funktion der vorliegenden Erfindung zeigt.
Bezugnehmend auf Fig. 1 weist das vorliegende System 10 eine Flugzeugsensorverarbeitungseinheit 12 auf, die eine erste Mehrzahl von Spektrometern 14, die ein erstes benachbartes wählbares Band von 400 bis 1140 nm bildet, eine zweite Mehrzahl von Spektrometern 16, die ein zweites benachbartes Band von 1400 bis 2500 nm bildet, und eine Wärmesensoranordnung 18 einschließt, die mit zwei Konfigurationen ausgebildet ist, wobei die erste wenigstens sechs Bänder von 8,4 bis 11,7 um und die zweite wenigstens sieben Bänder von 8,35 bis 11,45 um aufweist. Die drei Spektrometer 14, 16, 18 sind jeweils verbunden, um eine Eingabe von einem Signaldiskriminator 20 mit mehreren optischen Sensoren (nicht gezeigt) bekannter Art zu empfangen. Diese Sensoren würden eine optische Abbildung für ein bekanntes Sehfeld liefern, das in einer bestimmten bekannten Höhe eine bestimmbare Schneisenbreite abdecken wird. Durch entsprechende Auswahl der Sensoren würden diese auch ein augenblickliches Sehfeld bereitstellen können. Die Verarbeitungseinheit 12 ist mit einer Zweistufen-Kalibriereinrichtung 22 verbunden, die die Möglichkeit der Kalibrierung des Systems sowohl während des Fluges als auch vor dem Start liefert. Das System schließt außerdem eine Zentralverarbeitungseinheit 24 ein, die zum Empfangen von Daten von der Verarbeitungseinheit 12 sowie von einer Flugzeugnavigationseinrichtung 26 und Plattformstabilisierung 28 zur korrekten Bezugnahme der Abtastdaten auf die Erdoberfläche verbunden ist. Die Zentralverarbeitungseinheit 24 ist auch mit Ausgabeeinrichtungen verbunden, die eine Echtzeit-Anzeigeeinrichtung 30, Graphikdrucker 32, Datenaufzeichnungseinrichtung 34 und Datenspeichereinrichtung 36 einschließen.
Es ist für die vorliegende Erfindung wichtig, daß die Spektrometer derart ausgewählt werden, daß der Rauschabstand in der ersten Spektrometeranordnung mehr als 500 und mehr als 100 für die zweite Anordnung beträgt. Die äquivalente Rauschtemperaturdifferenz sollte @ 300ºK von 0,1 bis 0,2 K für eine Bandbreite von 0,2 bis 0,4 um betragen.
Die vorliegende Erfindung benutzt spektral und radiometrisch hochauflösende abbildende Spektrometer, nämlich Sichtbar-Infrarot (0,4 bis 1,1 Mikron) für die erste Anordnung 14, sonnenreflektiertes Infrarot (1,4 bis 2,5 Mikron) für die zweite Anordnung 16 und thermisches Infrarot (8 bis 12 Mikron) für die dritte Anordnung 18. Die Sensorverarbeitungseinheit 12, die die Spektrometeraufbauten 14, 16 und 18 enthält, ist in einer bekannten Flugzeugplattform (nicht gezeigt) angebracht, die den Zentralprozessor über die Flugbedingungen, wie z.B. Höhe, Fluglage und Bodengeschwindigkeit informieren kann. Die Spektrometeranordnungen 14, 16, 18 werden für die durchzuführende spezielle Vermessung vor dem Start kalibriert. Wenn die Vermessung vorgenommen wird, erfassen die Signaldiskriminatoroptiken Bilder aus benachbarten registrierten Spektralbändem, so daß für jedes Element auf dem Boden "Pixel" ein vollständiges Reflexions- und Emissionsgradspektrum von der vermessenen Oberfläche erhalten werden kann. Die aufgezeichneten Bilddaten können in der Luft über eine Anzeige 30 in Echtzeit betrachtet oder für eine Vorauswahl von einzelnen Bändern oder für das gesamte Bänderspektrum für zahlreiche Anwendungen von einem Drucker 32 oder einer Aufzeichnungseinrichtung 34 verarbeitet werden.
Die Fähigkeit des Systems, Eigenschaften auf dem Boden aufzulösen, hängt, in räumlicher Auflösung ausgedrückt, von einer Anzahl von Parametern, wie z.B. dem momentanen Sehfeld, und der Höhe und Geschwindigkeit des Flugzeuges, die als das V/H- Verhältnis bekannt sind, ab. Ersteres wird ziemlich von dem Optiksystem 20 bestimmt, während letzteres von bekannten Einrichtungen in dem Navigationscomputer 26, die die Plattformstabilisierung 28 einschließen, bestimmt und an den Zentralprozessor 24 geliefert. Die Qualität des Signals zum Identifizieren von Eigenschaften auf dem Boden hängt, in räumlicher Auflösung ausgedrückt, davon ab, ob Anordnungen von Detektoren 14, 16, 18 mit guten Rauschabständen vorhanden sind.
Zur Verarbeitung der Bilddaten können bekannte Bildverarbeitungstechniken verwendet werden. Der Zentralprozessor 24 ermöglicht es einem Bediener, Bilddaten in radiometrische Einheiten umzuwandeln und atmosphärische Korrekturen und geometrische Entzerrungen durchzuführen, wobei beide durch von dem Instrument und der Flugzeugplattformbewegung hervorgerufene Verzerrungen notwendig sind. Der Bediener kann die Daten durch Kombinieren von Bändern, Erzeugen von Verhältnissen, Durchführen von statistischen Analysen und Anwenden von numerischen Klassifikationstechniken verbessern.
Die Wärmeträgheit ist ein Maß der thermischen Reaktion eines Materials auf Temperaturänderungen. Die Einheiten sind Kalorien pro Quadratzentimeter pro Wurzel aus Sekunde pro Grad Celsius (Cal Cm&supmin;² Sec½ ºC&supmin;¹). Die Wärmeträgheit ist definiert als:
T&sub1;= (κ C)½
wobei: κ = Wärmeleitfähigkeit
Materialdichte
C = Wärmekapazität ist.
Die Wärmeträgheit kann durch Messen der Leitfähigkeit, Dichte und Wärmekapazität von Materialien bestimmt werden. Die auftretende Wärmeträgheit von Materialien kann jedoch durch Messen der maximalen und minimalen Strahlungstemperatur während eines Tagessonnenzyklus bestimmt werden. Das Verfahren läuft wie folgt ab:
1. Durchführen eines ersten Flugzeugeinsatzes unter Bedingungen, bei denen der niedrigste Sonnenheizzyklus erwartet wird, und Aktivieren von Thermisches Infrarot-Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Strahlungstemperaturen in digitaler Form.
2. Durchführen eines zweiten Flugzeugeinsatzes unter Bedingungen, bei denen ein maximaler Sonnenheizzyklus erwartet wird, und Aktivieren von vom sichtbaren bis zum thermischen Infrarot abtastenden abbildenden Spektrometereinrichtungen, um die reflektierte Energie und Strahlungstemperaturen in digitaler Form zu erfassen.
3. Berechnen von ΔT, das die Differenz zwischen den maximalen und den minimalen Temperaturen ist, die während des Tageszyklus der ersten und zweiten Vermessung auftreten.
4. Berechnen der Albedo (a) anhand der sichtbaren Bänder der zweiten Vermessung, wobei die Albedo das Verhältnis der von einem Material reflektierten Energiemenge zu der auf die Oberf läche des Materials treffenden Energie ist.
5. Berechnen der auftretenden Wärmeträgheit anhand der Gleichung.
ATI=1-a/ΔT
Fig. 2 stellt die zum Berechnen der auftretenden Wärmeträgheit verwendeten Schritte dar. In dieser Zeichnung ist ΔT die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Temperatur während des Tageszyklus, α die Albedo und ATI die auftretende Wärmeträgheit.
Die minimalen und maximalen Strahlungstemperaturen werden während der ersten und zweiten Vermessungen unter Verwendung der Wärmesensoranordnungen erfaßt. Die Albedo wird mit dem abbildenden Spektrometer während der zweiten Vermessung erfaßt. Gemäß den Flugdaten kann die auftretende Wärmeträgheit in Echtzeit während des zweiten Einsatzes berechnet werden, da die Daten aufgezeichnet werden. Die Anzeige liefert eine Echtzeit-Interpretation, wenn nach einem speziellen Ziel gesucht wird, das eine genauere Untersuchung erfordert. Die Forderung, daß die Bildelemente (Pixels) von den ersten und zweiten Vermessungen mitgespeichert werden, wird unter Verwendung eines Globalpositionsbestimmungssystems (GPS) erfüllt. Wenn z.B. ein Differenz-GPS-System verwendet wird, ist ein erster Empfänger auf der Flugzeugplattform plaziert und ein zweiter Empfänger auf dem Boden an einem Bodenpunkt plaziert. Somit wird sowohl für die erste als auch für die zweite Flugzeugvermessung eine genaue Bodenposition für jedes Pixel erhalten.
Eine Verarbeitung der Daten nach dem Flug erlaubt die Verwendung von komplexeren Algorithmen zur Analyse und Anzeige der Bilddaten und der Wärmeträgheit. Es kann Software verwendet werden, um atmosphärische Effekte zu entfernen, Schatten aufgrund von Änderungen in der Geländehöhe durch einen Vergleich der Sonnenhöhe und des Sonnenazimuths mit digitalen Geländedaten zu kompensieren und Wärmemodelle anzuwenden, um Wärmestrommuster zu bilden.
Die vorliegende Erfindung kann vielen Modifikationen und Änderungen unterzogen werden, ohne aus dem Umfang oder wesentlichen Eigenschaften derselben zu gelangen. Die vorliegende Ausführungsform sollte somit in jeder Hinsicht als darstellend statt als den Umfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, beschränkend angesehen werden.

Claims

1. Ein Verfahren zur Vermessung des Bodens aus der Luft, um Vermessungsdaten zu erfassen, und zur Berechnung der auftretenden Wärmeträgheit der Oberflächenmaterialien des vermessenen Bodens anhand von Daten, die die erfaßten Daten einschließen, das umfaßt:

Durchführen von ersten und zweiten Flugzeugvermessungen eines vorab bestimmten Bodengebietes, um erste und zweite Signale für jedes Pixel in dem vorab bestimmten Bodengebiet zu erhalten, wobei die ersten und zweiten Signale jeweils erwartete minimale und maximale Strahlungsoberflächentemperaturen während eines Tagessonnenzyklus repräsentieren; gekennzeichnet durch,

Durchführen der zweiten Vermessung, um ein vorab bestimmtes Wellenband einzuschließen und ein drittes Signal zu erhalten, das die Albedo für jedes Pixel in dem vorab bestimmten Bodengebiet repräsentiert;

Verwendung einer Differenz-Globalpositionsbestimmungseinrichtung, um die Pixel von den ersten und zweiten Vermessungen mitzuspeichern, um dadurch einen Vergleich der ersten und zweiten Signale für jedes Pixel zu ermöglichen; und

Erzeugen eines die auftretende Wärmeträgheit der Oberflächenmaterialien des vermessenen Bodens repräsentierenden Signals

für jedes Pixel als Antwort auf den Vergleich der ersten und zweiten Signale und des dritten Signals.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

Durchführen der ersten Flugzeugvermessung zu einer Zeit, bei der das niedrigste Sonnenheizen des Bodengebietes erwartet wird, und Verwendung der Thermisches Infrarot-Sensoreinrichtung zum Erfassen von Strahlungstemperaturdaten, um das erste Signal zu erhalten;

Durchführen der zweiten Flugzeugvermessung zu einer Zeit, bei der ein maximales Sonnenheizen des Bodengebietes erwartet wird und Verwendung einer von einer sichtbaren wellenlänge zu einer wellenlänge im thermischen Infrarot abtastenden abbildenden Spektrometereinrichtung, um Daten über reflektierte Sonnenenergie und Strahlungstemperaturdaten zu erfassen und das zweite Signal zu erhalten;

Bereitstellen des die Albedo (a) repräsentierenden dritten Signals anhand der Daten in dem sichtbaren Wellenlängenband von der zweiten Vermessung;

Berechnen der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen den von den ersten und zweiten Signalen repräsentierten Strahlungstemperaturen; und

Erzeugen des die auftretende Wärmeträgheit (ATI) repräsentierenden Signals durch die Gleichung:

ATI==1-a/ΔT

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Bereitstellen einer Echtzeit-Anzeige der auftretenden Wärmeträgheit als eine Funktion der Position auf der Bodenoberfläche während des letzteren der ersten und zweiten Flugzeugvermessungsflüge.

4. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Verarbeiten der erfaßten Vermessungsdaten nach dem Flug, um darauf ein Wärmemodell anzuwenden und Wärmestrommuster von dem Inneren und von der Oberfläche der Erde innerhalb des vermessenen Bodens und über den Tagessonnenwärmezyklus zu bestimmen.

5. Ein Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenzeichnet, daß die Vermessungen wahlweise in den Wellenbändern von 0,4 bis 2,5 Mikron und von 8 bis 12 Mikron durchgeführt werden.

6. Gerät zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, wobei das Gerät gekennzeichnet ist durch:

mehrere Sensoranordnungen (14, 16, 18), die für eine selektive Flugzeugvermessung des vorab bestimmten Bodengebietes in den Wellenbändern von 0,4 bis 2,5 Mikron und von 8 bis 12 Mikron geeignet sind, um Vermessungsbilddaten bezüglich jedes Pixels in dem vorab bestimmten Bodengebiet zu erhalten;

eine Verarbeitungseinrichtung (12) zum Empfangen und Verarbeiten von Vermessungsdaten von den Sensoranordnungen;

eine Flugbetriebkalibriereinrichtung (22) zum Kalibrieren des Gerätes während der Flugzeugvermessungen;

eine Plattform, die gestaltet ist, um das Gerät im Gebrauch in einem Flugzeug zu tragen;

eine Flugeinrichtung (26), um Flugdaten der das Gerät im Gebrauch tragenden Flugzeugplattform repräsentierende Signale zu liefern; und

eine zentrale Verarbeitungseinrichtung (24), um Daten von der Kalibriereinrichtung (22) und der Flugeinrichtung (26) zu empfangen und auch die verarbeiteten Vermessungsbilddaten und ein Differenz-Globalpositionsbestimmungssignal zu empfangen und dadurch die Vermessungsbilddaten von den ersten und zweiten Flugzeugvermessungen zu verarbeiten und gleichzeitig zu registrieren, um einen Vergleich der ersten und zweiten Signale für jedes Pixel bereitzustellen, das dritte Signal bereitzustellen und dadurch das die auftretende Wärmeträgheit repräsentierende Signal zu erzeugen.

7. Gerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (30) zum Anzeigen der Vermessungsdaten in Echtzeit, während das Gerät sich in der Luft befindet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung (12) und die zentrale Verarbeitungseinrichtung (24) für eine selektive Verarbeitung der Vermessungsdaten in ausgewählten Wellenbändern bis zu dem gesamten verfügbaren spektralen Band des Gerätes gestaltet sind.