Цифрові аерознімальні системи - Фотограмметрія кінця ХХ століття - здобутки і тенденції

Цифрові знімальні камери для широкого вжитку з'явились на ринку на початку 90-х років, але перші з них не могли конкурувати з фотокамерами по якості отриманих зображень. Причиною цього стану була невисока роздільна здатність сенсора - приладу із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), який фіксував відбите від об'єкту електромагнітне випромінювання та продукував електричний сигнал, пропорційний до цього випромінювання.

Схема цифрової камери показана на рис. 2.

Ця та деякі інші причини мали ще більший стримуючий вплив на створення цифрової аерознімальної камери.

Відомо, що роздільна здатність фотокамери вимірюється кількістю ліній в одному міліметрі(л/мм). Сучасні аерофотооб'єктиви мають в центрі пол зображення роздільну здатність150л/мм, а дисторсія об'єктиву виносить 1-2 мкм, що є вже на грані можливостей геометричної оптики. Такі об'єктиви справедливо називають бездисторсійними.

Роздільна здатність цифрової камери вимірюється кількістю пікселів в одному дюймі (записується як dpi). Піксел стосовно сенсора ПЗЗ означає розмір його чутливого елемента. Якщо перевести роздільну здатність 150л/мм в точність можливих вимірів, то отримаємо 6.7мкм. Це означає, що розмір чутливого елемента ПЗЗ повинен становити саме таку величину. Тільки в 1997-98 роках передові фірми почали продукувати такі ПЗЗ, і тому стало можливим створити цифрову аерокамеру високої роздільної здатності.

Рис.2 - Схема цифрової знімальної камери:

    1 - об'єкт з електромагнітним випромінюванням, 2 - оптична система (об'єктив), 3 - система світлофільтрів (для кольорового зображення), 4 - ПЗЗ-матриця, 5 - електричні заряди, 6 - регістр, 7 - процесор, 8 - аналогово-цифровий перетворювач, 9 - цифрове зображення.

Друга проблема, яку треба було розв'язати конструкторам, полягала в потребі дуже швидкого зчитування інформації з ПЗЗ і нагромадженн її на відповідних носіях. Про обсяг інформації красномовно говорить такий підрахунок: аерознімок формату 230х230 мм при розмірі піксела 7мкм містить в собі інформацію обсягом майже 1 гігабайт (GB). Коли мова йде про швидке накопичення інформації під час польоту та про сотні і тисячі знімків, то проблема стає зрозумілою. Тільки обчислювальна техніка з її сучасними можливостями розв'язала це завдання.

Третя проблема полягає в тому, що під час польоту необхідно фіксувати лінійні елементи зовнішнього орієнтування та утримувати платформу аерокамери в горизонтальному положенні. Першу задачу розв'язує GPS, а другу - інерціальна навігаційна система (ІНС). На час написання цієї праці створено три типи цифрових аерознімальних фотограмметричних камер:

    - ADS40, фірма LH-Systems (Швейцарія), - DMC2001, фірма Z/I imaging (Німеччина - США), - HRSC - A, Німецький Центр космічних досліджень (DLP).

Цифрова аерокамера ADS40 Є продуктом співпраці фірми LH-Systems та Центру DLP. Принциповим в конструкції є те, що використовується ПЗЗ у вигляді лінійки, а для формування зображення застосований принцип дії електрооптичного сканера.

В площині прикладної рамки поміщені ПЗЗ - лінійки, які одночасно реєструють випромінювання в шести спектральних діапазонах (див. таблицю 1). Для діапазону панхроматичного (чорно-білого) особливим є те, що одночасно фіксуються три полоси місцевості: "поглядом вперед", "поглядом надирним" і "поглядом назад". Саме ця особливість дозволяє пізніше отримувати стереозображенн об'єкту. Інше цікаве конструкторське рішення полягає в тому, що для панхроматичного діапазону в тому місці прикладної рамки, де має бути ПЗЗ-лінійка, поміщаєтьс не одна, а дві в такий спосіб, що вони взаємно зміщені між собою на половину пікселя. Кожна лінійка має 12000 пікселів, а такий зсув підвищує роздільну здатність вдвічі - 24000 пікселів.

Для діапазонів червоного, зеленого, голубого і двох інфрачервоних використовуються ПЗЗ-лінійки, які фіксують надирну "полосу" місцевості.

Оригінальним оптичним рішенням є те, що оптична система проектує на ПЗЗ-лінійки зображення ортогонально (рис.3).

Особливість формування сканерного зображення полягає в тому, що воно "склеюється" з полос.

Кожна полоса має ніби свій миттєвий центр проекції, а так як літак пересувається, то суцільне зображення є деформованим. Скажімо, прямолінійна в натурі ділянка дороги на зображенні буде викривленою - така є реальна геометрія сканерних зображень; особливо це стосується аерозніманн і в меншій мірі космічного знімання.

Рисунок 3:

Для виправлення зображення необхідно для кожного миттєвого положення камери (для кожної полоси) знати лінійні і кутові елементи зовнішнього орієнтування. Ця проблема розв'язана в той спосіб, що одночасно і синхронно працює приймач GPS та інерціальна система (це розв'язанн належить фірмі Аррlanix). Геометричне виправлення здійснюється аналітичним шляхом, і для подальшого використання маємо повноцінне правильне зображення.

Таблиця 1 - Основні параметри камери ADS40:

Об'єктив : фокусна віддаль

Світлосила

Роздільна здатність

Розмір піксела

ПЗЗ - лінійка (зміщена) каналу панхром

ПЗЗ - лінійки спектральних каналів

Кут поля зору перпенд. до напрямку польоту

Кут між лінією надиру і напрямком "вперед"

Кут між лінією надиру і напрямком "назад"

Спектральні канали :

    - панхроматичний - червоний - зелений - голубий - інфрачервоний 1-ий - інфрачервоний 2-ий

Ѓ = 62.5 мм

    1 : 4 150 л/мм 6,5 мкм 2х12 000 пікселів 12 000 пікселів 64є 26є 16є 465-680 нm 608-662 нm 533-587 нm 428-492 нm 703-757 нm 833-887 нm

Радіометрична роздільна здатність

Розмір піксела на місцевості

(при висоті польоту 3000 м)

Ширина полоси сканування

(при висоті польоту 3000 м)

Частота зчитування елементів полоси образу

Частота вимірювання елементів орієнтування

Об'єм пам'яті (зовнішньої) для запису знімків під час польоту
    8 біт 16 см 3,75 км 200-800 Гц 200 Гц 200-500 гігабайт (до 4-х год. польоту)

Маса камери: модуль оптичний SH40

Модуль контролю CИ 40

Пам'ять зовнішня ММ40

Інтерфейс оператора ІО 40
    70 кг 22 кг

3 кг

8 кг

Цифрова камера DMS 2001 (Digital Modular Camera) (фірма Z/I Imaging) принципово відрізняється від попередньої тим, що в ній використовується ПЗЗ-матриця. Щоб збільшити кут поля зору, в камері використано 4 об'єктиви, зорієнтовані між собою в такий спосіб, що зображення мають між собою мінімальне перекриття. Концепція багатооб'єктивної системи не є новою, і була використана в 80-х роках при створенні багатоканальної фотографічної камери МКФ-6 (космічний варіант, 6 об'єктивів) та камери МСК-4 (варіант для літака, 4 об'єктиви). Оптичний принцип формування зображення - це центральна проекція. Тому в цій камері відсутня деформація зображення, як це має місце в сканерній камері ADS40, і саме тому конструкція камери є простішою. Камера використовує стандартну гіростабілізуючу платформу T-AS, яка раніше використовувалась для аерофотокамери RMK-Top. Камера має пристрій компенсації змазу зображення, який використовує електронну систему об'єднання зображення з часовою затримкою. Така система дозволяє зчитувати сигнали з чергових строк ПЗЗ-матриці синхронно з пересуванням образу в площині прикладної рамки камери. Технічні характеристики подані в таблиці 2.

Таблиця 2 - Основні параметри камери DMC 2001:

Модуль панхроматичний:

Об'єктив, фокусна віддаль

Світлосила

Цикл роботи

Розмір піксела

ПЗЗ для 1-ого об'єктива, пікселів

ПЗЗ для 2-ого і 3-ого об'єктива, пікселів

ПЗЗ для 4-ого об'єктива, пікселів

Кут поля зору: для 1-ого об'єктива, градуси

Для 2-го і 3-ого об'єктива, градуси

Для 4-ого об'єктива, градуси

Модуль багатоспектральний:

Об'єктив, фокусна віддаль

Світлосила

Цикл роботи

Розмір піксела

Радіометрична роздільна здатність

ПЗЗ об'єктивної системи, пікселів

Кут поля зору системи, градус

Ѓ = 120 мм

1 : 4

    1 образ за 2 сек. 6х6 мкм 7000х4000 7000х7500 13500х8000 39єх22є 39єх42є 74єх44є

Ѓ = 25 мм

1 : 4

    1 образ за 2 сек. 12х12 мкм 12 біт 3000х2000 72єх50є

Як бачимо з таблиці 2, роздільна здатність складає 12 мкм і є гіршою у 2 рази від цього ж параметра для швейцарської камери (6,5 мкм). Це пояснюється тим, що на разі ПЗЗ-матриці, які продукує промисловість, є гіршими від ПЗЗ-лінійок. Можна з впевненістю прогнозувати, що з часом якість ПЗЗ-матриць підвищиться.

Цифрова камера HRSC Німецького Центру космічних досліджень (DLR) була створена для космічних досліджень Марса. Базується на концепції електрооптичного сканера з використанням цілої гами ПЗЗ-лінійок. Варіант камери для аерознімання має символ HRSC-A (High Resolution Stereo Camera - Airborne). Ця знімальна система має п'ять ПЗЗ-лінійок, що працюють в діапазоні панхроматичному та чотири лінійки для спектрального діапазону (видимого та інфрачервоного).

В роботі відзначається, що перші дослідні роботи відносятьс до 1997 року, а трохи пізніше DLR у співпраці з французькою фірмою ISTAR та голландською Geodan Geodesic виконали знімання понад 50 європейських міст. Деякі технічні параметри подані в таблиці 3.

Цікавим є аспект використання цієї камери для створенн ортофотокарт забудованих територій. Оскільки камера належить до вузькокутних, а полос з одночасним зніманням є п'ять, то можна так підібрати їх, щоб отримана стереопара дозволила майже прямовисно "заглянути" у вузькі вулиці. Тоді високі будівлі не будуть створювати таких перешкод, які ми завжди маємо при використанні нормальних та ширококутних камер. Очевидно, саме цей фактор сприяв створенню ортофотопланів для європейських та американських міст зі щільною забудовою.

В планах Центру є створення двох модифікацій: вузькокутної камери з ѓ=150 мм та ширококутної з ѓ=47 мм. Оскільки планується використовувати ПЗЗ-лінійки з 12000 елементами, то стає зрозумілим, що точність фотограмметричних побудов підвищується принаймні в 2 рази.

Таблиця 3 - Основні параметри камери HRSC:

Фокусна віддаль

Кут поля зору, перпендикулярно до лінії польоту

Кількість ПЗЗ-лінійок

Кількість пікселів в лінійці

Розмір піксела

Радіометрична роздільна здатність

Частота сканування

Кути, під якими отримано панхроматичні полоси дл стереозображення

Системи орієнтування

Гібростабілізація, система

Ѓ=175 мм

    12є 9, з них кольор - 4

Стерео - 5

    5184 7 мкм 10 біт, стиснена - до 8 біт 450 ліній за секунду

± 18,9є

GPS + IN

T-AS

Похожие статьи




Цифрові аерознімальні системи - Фотограмметрія кінця ХХ століття - здобутки і тенденції

Предыдущая | Следующая