Кронберг П.
Дистанционное изучение Земли: Основы и методы дистанционных исследований в геологии

Пространственное разрешение сканерных изображений. Геометрия изображения сканерных снимков

4.3.3. О пространственном разрешении сканерных изображений

Пространственное разрешение сканерных изображений определяется йрежде всего двумя параметрами съемки: геометрической разрешающей способностью установленной сканерной системы и высотой носителя (самолета или космического аппарата, на которых она установлена) над поверхностью измерения или съемки, т. е. над поверхностью планеты.
Геометрическая разрешающая способность сканера задается либо как угловое разрешение в миллирадианах (мрад), либо в зависимости от высоты полета, т. е. высоты съемки, как геометрическое разрешение на уровне поверхности Земли в метрах. Угловое разрешение в 1 мрад (1 мрад = 0,057°) означает, что сканером с высоты полета 1000 м в момент сканирования охватывается участок поверхности (элемент площади, или элемент разрешения) размером в надир 1х1 м (рис. 69). При высоте полета 3000 м соответствующий элемент площади имеет размер 3х3 м. Пространственная разрешающая способность сканерных систем с заданным угловым разрешением связана как функция отношениявысоты полета к основанию.
Самолетные сканерные системы, применявшиеся в 1970-х годах, имели угловое разрешение от 1 до 3 мрад. Результирующее разрешение на местности определялось каждый раз из устанавливавшихся для угла сканирования и высоты полета. Сканеры на спутниках «Лэндсат-1», -2» и -3» из-за большой высоты орбиты имели незначительное угловое разрешение; в световом диапазоне этот угол был около 0,05 мрад. Поэтому при высоте полета 917 км их пространственная разрешающая способность была 79 х 79 м. Это-размер участка ландшафта, который был «виден» каждому из 24 детекторов детекторного блока любого из этих мультиспектральных сканеров в момент сканирования и отраженное излучение с которого в момент сканирования принималось только одним детектором и преобразовывалось им в пропорциональный электрический сигнал.
Объекты ландшафта должны, как правило, быть больше, чем захваченный сканером, точнее детектором, пространственный элемент разрешения на местности, если он захвачен отдельно и его можно распознать на сканерном изображении. Как на аэрофотоснимках, так и на сканерных изображениях можно опознать каждый единичный объект, размеры которого находятся в пределах величины теоретического геометрического разрешения. Это важно для улиц, дорог, рек и не имеет смысла для линейных тектонических структур, таких, как разломы или трещинные зоны, выдержанные на большом протяжении. В последнем случае более существенным каждый раз оказывается контраст яркости встречающихся объектов по отношению к их окружению и к радиометрической динамической зоне сканера, но прежде всего важна также форма объектов ландшафта и присущая им геометрическая упорядоченность в районе съемки.

4.3.4. О геометрии изображения сканерных снимков

(Самолетный сканер, многозональный сканер спутника «Лэндсат».)

Сканерные изображения имеют ряд геометрических особенностей, которые складываются из специфики съемки сканером во время полета, строчной формы обзора местности вращающимся или качающимся сканирующим зеркалом в плоскости, перпендикулярной направлению полета, и из последовательности строк сканирования в направлении полета. Сканерные снимки, ориентированные поперек направления полета, панорамны, а вдоль – имеют ортогональную геометрию изображения. Поэтому геометрия сканерных снимков прежде всего определяется следующими параметрами съемки: угловым разрешением и углом сканирования сканера, позицией и внешней ориентацией съемочной платформы во время съемки.
При относительно большом угле сканирования, типичном для самолетного сканера (90 или 120°), сканирующее зеркало захватывает снимаемую полосу местности под разными углами к надиру (±45 или ±60°). Запись данных в большинстве случаев приводится в постоянном приращении времени (машинное время), однако приращение полосы поверхности Земли вдоль строки с увеличением угла к надиру идет с ускорением обзора. Поэтому размер элементов изображения на местности с удалением от точки надира увеличивается. В этой связи моментальное поле зрения сканера, которое устанавливается его угловым разрешением, в краевых частях каждой строки сканирования больше, чем в ее центральной части. Соответственно растянутость участков ландшафта больше на концах полосы сканирования, чем в ее центре. Так как зеркало сканера вращается или качается с постоянной частотой, а данные съемки на борту съемочной платформы регистрируются с постоянным линейным приращением времени, каждый элемент площади регистрируется в одинаковом интервале времени, хотя он меньше в зоне около точки надира и больше на концах этой полосы. В результате этого на сканерных снимках (рис. 74) очень заметно краевое сжатие изображения, которое схематически, как и другие типичные искажения сканерных снимков, показано на рис. 75. По диагонали к направлению полета линейные формы ландшафта исказятся S-образно, а вдоль и поперек простирания не изменятся. Итак, только вдоль направления полета, перпендикулярно растрам изображения, нет никаких линейных искажений снятых объектов.

Рис. 74. Геометрическое искажение сканерных снимков. (доступно только при скачивании полной версии)

Рис. 75. Схематическое объяснение геометрических искажений на сканерных снимках [261]. (доступно только при скачивании полной версии)

Если результаты съемки во время залета записываются на магнитную ленту, что уже стало правилом, то можно ожидаемое по строке сканирования геометрическое изображение образов выправить результирующим различием масштаба вдоль строки, вводя соответствующие поправки в программу числовой обработки изображений. Для этого проводят геометрическую коррекцию результатов съемки на фильмо-записывающих приборах (электронных преобразователях магнитной записи в изображение на базе ЭВМ) при изготовлении фотонегативов отдельных кадров. В результате получается сканерное растровое изображение, которое не имеет геометрических искажений по всей ширине кадра. Поэтому при исследованиях обширных территорий и для синоптических наблюдений можно использовать мозаичный фотомонтаж самолетных сканерных снимков, который будет покрывать необходимую площадь поверхности Земли.
Многозональный сканер МСС первых трех спутников «Лэндсат» снимал поверхность Земли в других параметрах, чем самолетные варианты сканеров. Из-за большой высоты орбиты (около 717 км) он имел угловое разрешение 0,05 мрад и относительно малый угол сканирования – 11,6°. Поэтому вышеупомянутое сжатие изображения на концах строки сканирования было так мало, что им можно было пренебречь. Моментальное поле зрения одного элемента детектора сканера МСС (79х79 м) составляет строку сканирования практически без геометрических искажений. Форма и размеры снимаемых объектов ландшафта, как и их расположение один относительно другого внутри полосы сканирования поперек направления полета или вдоль полосы сканирования, не искажаются в процессе съемки и, таким образом, остаются пропорциональными масштабу изображения в каждой его строке. Отдельные кадры сканерных снимков со спутников «Лэндсат», иногда называемых «Лэндсат-сценами», имеют поэтому характер ортогональной проекции, и в таком виде как стандартная продукция высылаются Центром данных в Сиу-Фолсе, США. Они соответствуют по точности привязки координат требованиям, предъявляемым к топографическим картам масштаба 1:500000. Без предварительной коррекции искажений и с небольшими издержками из соседних снимков МСС «Лэндсат» можно монтировать мозаики-фотомонтажи растровых изображений больших регионов. Чтобы точность координат отдельных Лэндсат-сцен соответствовала повышенным требованиям, геометрию отдельных снимков со спутников «Лэндсат» с помощью наземных триангуляционных пунктов (не меньше четырех на один снимок) и соответствующей программы для ЭВМ можно перевести в геометрию соответствующей картографической проекции. С помощью сетки точек изображения и при наличии соответствующей программы числовой обработки данных может быть достигнуто совмещение разновременных снимков для одной и той же (одинаковой) полосы сканирования на местности.
Причиной геометрических искажений снимков со спутников «Лэндсат» могут быть, например, изменения угловой скорости сканирующего зеркала, или изменения внешней ориентировки космического аппарата в процессе съемки, а также искажения, вызванные вращением Земли в один цикл процесса сканирования, продолжающийся 28 с для сканеров, установленных на первых спутниках «Лэндсат». Эти искажения могут быть сняты соответствующими программами компьютерной обработки первичных данных в Центре данных, прежде чем потребитель получит изготовленную по результатам съемки со спутника «Лэндсат» заказанную им конечную продукцию-негатив, увеличенный отпечаток и т. п. В настоящее время даже числовая запись на магнитной, компьютеро-совместимой ленте CCTs (Computer Compatible Тарpes) содержит нововведенные необходимые геометрические коррективы.
При съемках самолетными сканерами не поддающиеся контролю движения самолета могут увеличить геометрическое искажение как в строке сканирования, так и в группе соседних строк. Вращение приводит к волнообразным искажениям на сканерном изображении. Из-за бокового ветра пилот иногда вынужден держать фюзеляж самолета во время съемочного залета под некоторым небольшим углом к направлению полета, чтобы ликвидировать боковой снос и выдержать направление съемки. В таких случаях геометрическое искажение проходит через все строки изображения. Чтобы избежать таких искажений снимков или уменьшить их по мере возможности, сканер (так же как и аэрофотосъемочную камеру), если позволяют технические возможности, монтируют на кольцевой подвеске, с помощью которой во время полета компенсируют боковой снос, уравнивая направление осей или азимутов полета и съемки.
Геометрические искажения снимка могут, наконец, возникнуть на сканерном изображении из-за временных изменений высоты полета и полетной скорости во время съемочного залета, а также «рыскания по курсу». Чтобы можно было обнаружить и выправить эффекты всех вышеописанных нарушений заданной геометрии изображения, необходимо вести во время полета наблюдение за положением съемочной платформы и ее внешней ориентировкой и регистрировать эти данные. Кроме того, необходимо следить за работой сканера, чтобы можно было учесть и исправить систематические ошибки. При полете ресурсных спутников «Лэндсат» контролировалась истинная орбита спутника в период съемки, а также регистрировались данные о внешней ориентировке космического аппарата в этот момент. Это делалось для того, чтобы при визуализированном представлении данных можно было внести нужные исправления. Кроме того, в период съемки регистрировали аппаратурные, связанные со сканером и его работой параметры, чтобы можно было выявить ошибки в его работе и ввести нужную коррекцию.

Скачати повну версію книжки (з малюнками, картами, схемами і таблицями) одним файлом