Способ устранения искажений изображений дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора изображения



Способ устранения искажений изображений дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора изображения
Способ устранения искажений изображений дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора изображения
Способ устранения искажений изображений дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора изображения
Способ устранения искажений изображений дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора изображения

 


Владельцы патента RU 2411449:

Закрытое акционерное общество "Научно-технический центр "Реагент" (RU)

Изобретение относится к способу устранения геометрических искажений изображений, получаемых щелевым или трассовым сенсором дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора относительно исследуемой поверхности наблюдаемого объекта, например при съемке поверхности земли с вертолета. Техническим результатом изобретения является создание системы устранения геометрических искажений при дистанционном зондировании сканирующим сенсором, которая может применяться для широкого круга задач, начиная от дистанционного зондирования Земли с авиаборта или космического аппарата до изучения под микроскопом молекул и микроорганизмов. Способ получения изображения дистанционного зондирования включает в себя получение последовательности снимков кадрового сенсора и сканирующего сенсора. Получение снимков кадрового и сканирующего сенсоров синхронизируют по времени. Полученные с сенсоров данные записывают на запоминающее устройство. Производят сопоставление отдельных снимков кадрового сенсора в порядке их последовательности. Определяют сдвиг и поворот каждого последующего снимка относительно предыдущего снимка. На основании сопоставления координат центров отдельных снимков определяют линию траектории движения областей обзора сканирующего и кадрового сенсоров. На линию траектории накладывают снимки кадрового сенсора друг на друга с учетом их положения, получая изображение зондируемой поверхности в виде мозаик. На основе мозаики осуществляют построение математического преобразования для коррекции изображения методом триангуляции. Полученное геометрическое преобразование используют для пересчета данных сканирующего сенсора, получая неискаженное изображение зондируемой поверхности. В качестве кадрового сенсора используют видеокамеру. В качестве сканирующего сенсора используют гиперспектрометр типа «pushbroom». 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу устранения геометрических искажений изображений, получаемых щелевым или трассовым сенсором дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора относительно исследуемой поверхности наблюдаемого объекта, например при съемке поверхности земли с вертолета. Под щелевым сенсором понимается прибор, предназначенный для зондирования исследуемой поверхности путем сканирования узкой полосой области обзора (при этом радиус обзора является конечной величиной, площадь обзора близка к нулю). Примером щелевого сенсора является гиперспектрометр типа pushbroom. Трассовым сенсором называется прибор, при использовании которого сканирование осуществляется областью обзора малого радиуса (при этом площадь обзора близка к нулю). Родовым понятием для щелевого или трассового сенсора является термин «сканирующий сенсор». Для сканирования областей, площадь обзора которых является конечной величиной, много большей площади обзора сканирующего сенсора, применяется «кадровый сенсор». Примером кадрового сенсора является видеокамера.

В связи с движением носителя для получения действительного изображения поверхности земли необходима корректировка полученных с сенсоров данных, которые имеют искажения.

Для устранения геометрических искажений в задачах дистанционного зондирования Земли возможно использование так называемой физической стабилизации, которая предусматривает установку на борт летательного аппарата дорогостоящей навигационной аппаратуры и гироплатформы, обеспечивающей удержание оптической оси зондирующего устройства в строго вертикальном положении.

Однако такой способ зондирования связан со значительными материальными затратами по причине высокой стоимости гироплатформ. Кроме того, в этом случае возрастает суммарный вес всей системы, что в некоторых случаях бывает критичным.

Известен способ получения спектрального изображения (Video tracking-based real-time hyperspectral data acquisition, United States Patent Application 20060158647, Kind Code Al, Authors: Yao, Haibo; July, 20, 2006), включающий в себя получение последовательности снимков кадрового сенсора и сканирующего сенсора. Устройство, работающее по этому способу, включает в себя спектральный датчик, видеокамеру и дальномер. Области обзора этих трех устройств должны перекрываться. В процессе зондирования информация, получаемая от этих трех устройств, может сохраняться на некоторый носитель при помощи компьютера. С помощью этого же компьютера информация может отображаться на дисплее. Поскольку существует перекрытие областей спектральной и видео камер, то при отображении информации на дисплее имеется возможность накладывать спектральное изображение на видеоизображение, при этом отображать на экране дальность до наблюдаемого объекта, измеряемую дальномером. Вывод спектральной информации можно осуществлять по-разному. На экран могут непосредственно выводиться интенсивности каких-то спектральных линий или можно выводить информацию, прошедшую уже более или менее сложный процесс компьютерной обработки, а также результат распознавания измеренного спектра в конкретной точке.

Недостатком известного способа является отсутствие возможности (процедуры) коррекции изображения.

Задачей настоящего изобретения является создание способа дистанционного спектрального зондирования, позволяющего выполнять геометрическую коррекцию данных, которые в исходном виде имеют искажения, связанные с движением носителя. Такой процесс коррекции может называться математической стабилизацией измерений дистанционного зондирования и является более сложной задачей, чем простая визуализация измерений, реализуемая в известном способе.

Техническим результатом изобретения является создание системы устранения геометрических искажений при дистанционном зондировании сканирующим сенсором, которая может применяться для широкого круга задач, начиная от дистанционного зондирования Земли с авиаборта или космического аппарата до изучения под микроскопом молекул и микроорганизмов. Эта система позволяет производить геометрическую коррекцию измерений сканирующего сенсора. При дистанционном зондировании область обзора прибора может перемещаться по исследуемой поверхности, и, наоборот, сканирование движущегося объекта может осуществляться за счет перемещения самого объекта через область сканирования. Использование предлагаемого способа дает возможность получить геометрически правильное изображение зондируемой поверхности или движущего объекта.

Поставленная задача решается, а указанный результат достигается тем, что в способе получения изображения дистанционного зондирования, включающем в себя получение последовательности снимков кадрового сенсора и сканирующего сенсора, получение снимков кадрового и сканирующего сенсоров синхронизируют по времени, полученные с сенсоров данные записывают на запоминающее устройство, производят сопоставление отдельных снимков кадрового сенсора в порядке их последовательности, определяют сдвиг и поворот каждого последующего снимка относительно предыдущего снимка методом цифровой обработки изображений снимков. Затем на основании сопоставления координат центров отдельных снимков определяют линию траектории движения областей обзора сканирующего и кадрового сенсоров, на линию траектории накладывают снимки кадрового сенсора друг на друга с учетом их положения, получая изображение зондируемой поверхности в виде мозаик. На основе мозаики осуществляют построение математического преобразования для коррекции изображения методом триангуляции, полученное геометрическое преобразование используют для пересчета данных сканирующего сенсора, получая неискаженное изображение зондируемой поверхности. В качестве метода цифровой обработки изображений снимков возможно использование корреляционного метода. В качестве кадрового сенсора может быть применена видеокамера, а в качестве сканирующего сенсора возможно использование гиперспектрометра типа «pushbroom».

Предлагаемый способ поясняется схемами и фотографиями, представленными на чертежах.

Фиг.1 - схема устройства, в котором реализуется предлагаемый способ.

Фиг.2 - блок-схема действий по реализации предлагаемого способа.

Фиг.3 - схема процедуры формирования траектории движения областей обзора сенсоров и определения угла поворота Δα и смещения Δr двух последовательных кадров.

Фиг.4а - пример мозаики, полученный кадровым сенсором (видеокамерой).

Фиг.4б - изображение, полученное путем обработки первичных данных со сканирующего сенсора (гиперспектрометра), искаженное вследствие маневров летательного аппарата.

Фиг.4в - изображение, полученное в результате геометрической коррекции изображения щелевого сенсора.

Блок-схема аппаратной части предлагаемого изобретения представлена на фиг.1. Здесь 1 - кадровый сенсор, 2 - сканирующий сенсор, 3 - электронный блок обработки данных, 4 - компьютер. В качестве сканирующего и кадрового приборов возможно совместное использование соответственно гиперспектрометра и видеокамеры.

Используемые приборы работают в системе единого времени; моменты регистрации данных с обоих сенсоров синхронизируют.

В процессе зондирования данные могут записываться на запоминающее устройство и обрабатываться после окончания съемки, или же возможно использование описываемой системы для устранения геометрических искажений в режиме реального времени. Схема процесса обработки совместных измерений щелевым и кадровым сенсорами на фиг.2, Алгоритм процесса приведен для обработки некоторого выбранного участка. На основе результатов, полученных кадровым сенсором «Данные кадрового сенсора», производится определение смещения и поворота каждого последующего относительно предыдущего кадра, и полученные результаты помещаются в файл «Данные о взаимных смещениях кадров». Определение сдвига и поворота каждого последующего кадра относительно предыдущего можно осуществлять разными математическими методами обработки изображений. В частности, таким методом может являться корреляционный метод, который широко применяется при обработке сигналов. Анализ таких поворотов и смещений производится последовательно для всего выбранного участка съемки. После определения смещений соседних кадров кадрового сенсора необходимо осуществить «Построение траектории и наложение кадров на мозаику в соответствии с траекторией». Для этого вычисляют положение и поворот каждого кадра относительно некоторой системы координат. Эту систему координат можно выбирать из разных соображений. Например, ее можно задать относительно первого снимка кадрового прибора среди кадров видеосъемки выбранного участка зондируемой поверхности. Последовательность положений кадров (их центров) и является искомой траекторией движения области обзора кадрового датчика. На фиг.3 поясняется процедура формирования траектории движения областей обзора сенсоров и определения угла поворота Δα и смещения Δr двух последовательных кадров. Здесь 5 - кадр кадрового сенсора, 6 - область обзора сканирующего сенсора, 7 - траектория области обзора сканирующего сенсора. Последовательное наложение снимков кадрового сенсора на одно изображение с учетом их положения и поворота позволяет построить изображение зондируемой поверхности по данным кадрового прибора (фиг.4а). Такая операция в терминах задачи дистанционного зондирования Земли называется «мозаика».

Допущение о том, что каждый последующий снимок сенсоров только сдвинут и повернут относительно предыдущего в плоскости изображения, достаточно хорошо работает на практике. Если описываемая система используется для решения задач дистанционного зондирования Земли, то вышеописанное предположение справедливо при условии, что высота летательного аппарата постоянна, и углы отклонения оптических осей двух сенсоров от вертикали невелики. В этом случае можно считать, что при вращательном движении летательного аппарата (небольших его колебаниях) область обзора сканирующего устройства не меняет своей формы, а только перемещается по зондируемой поверхности. Это перемещение области обзора по поверхности, используя математическую терминологию, является движением в плоскости (двумерном пространстве). Такое движение имеет три степени свободы: две поступательные и одну вращательную.

Траектория областей обзора сканирующего и кадрового сенсоров отличается от собственно траектории летательного аппарата, поскольку на нее оказывает влияние вращательное движение корпуса летательного аппарата. При определении траектории области обзора для исследователя остается неизвестным, как именно ведет себя летательный аппарат. То есть не удается определить, вследствие чего переместилась область обзора: вследствие перемещения ли летательного аппарата, или его небольшого вращения, или же, что чаще всего имеет место, комбинации этих возможных движений. Однако при использовании описываемой системы для построения изображения зондируемой поверхности знание динамики самого летательного аппарата не требуется, а требуется только знание траекторий областей обзора используемых приборов.

Наличие информации (данные сенсоров) о положении и повороте снимков кадрового сенсора на мозаике позволяет определить также и положение областей обзора сканирующего прибора на мозаике в момент одновременной съемки двух сенсоров. Это сделать не трудно, поскольку положение области обзора сканирующего сенсора относительно области обзора кадрового сенсора является известным. На основе данных о взаимных смещениях кадров и углов поворота и найденной траектории движения сенсоров производят «Построение необходимого геометрического преобразования» (см. фиг.2) для коррекции изображения. Это построение выполняют методом триангуляции.

Далее «Данные сканирующего сенсора» преобразуются с помощью найденного геометрического преобразования данных, в результате чего создается «Геометрически скорректированное изображение сканирующего сенсора» (фиг.2).

Фиг.4 иллюстрирует операции по устранению геометрических искажений изображений, получаемых щелевым или трассовым сенсором дистанционного зондирования, связанных со сложной траекторией движения носителя сенсора. На фиг.4а показан пример мозаики, полученный кадровым сенсором (видеокамерой). На фиг.4б приводится изображение, полученное путем обработки первичных данных со сканирующего сенсора (гиперспектрометра), искаженное вследствие маневров летательного аппарата. По определяемой траектории перемещения области обзора щелевого сенсора производится геометрическая коррекция гиперспектральных данных. Коррекцию осуществляют путем трансформирования искаженного изображения по базовым точкам методом методом триангуляции в исправленное от эволюции носителя изображение трассового сенсора. Результаты устранения геометрических изображений щелевого сенсора представлены на фиг.4в.

Сформированную мозаику данных кадрового прибора помимо описываемой геометрической коррекции можно использовать, например, для совместной обработки данных двух одновременно применяемых сенсоров: геометрически исправленного сканирующего и кадрового, поскольку получаемые с этих приборов изображения оказываются пространственно привязанными друг к другу. Кроме того, эту мозаику можно использовать для контроля правильности смещений кадров относительно друг друга. Если это смещение вычислено неправильно, то на формируемой мозаике будут отчетливо видимы дефекты.

Предлагаемый способ был использован для распознавания целевого вида растительности на фоне других растительных ценозов в Пензенской области на основе авиационных гиперспектральных съемок, что свидетельствует о его промышленной применимости.

1. Способ получения изображения дистанционного зондирования, включающий в себя получение последовательности снимков кадрового сенсора и сканирующего сенсора, отличающийся тем, что получение снимков кадрового и сканирующего сенсоров синхронизируют по времени, полученные с сенсоров данные записывают на запоминающее устройство, производят сопоставление отдельных снимков кадрового сенсора в порядке их последовательности, определяют сдвиг и поворот каждого последующего снимка относительно предыдущего снимка методом цифровой обработки изображений снимков, на основании сопоставления координат центров отдельных снимков определяют линию траектории движения областей обзора сканирующего и кадрового сенсоров, на линию траектории накладывают снимки кадрового сенсора друг на друга с учетом их положения, получая изображение зондируемой поверхности в виде мозаик, на основе мозаики осуществляют построение математического преобразования для коррекции изображения методом триангуляции, полученное геометрическое преобразование используют для пересчета данных сканирующего сенсора, получая неискаженное изображение зондируемой поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве метода цифровой обработки изображений снимков используют корреляционный метод.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве кадрового сенсора используют видеокамеру.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве сканирующего сенсора используют гиперспектрометр типа «pushbroom».



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области локального инженерно-геологического и геоэкологического аэромониторинга. .

Изобретение относится к области фотограмметрии. .

Мира // 2232374
Изобретение относится к технической оптике и может быть использовано для оценки качества изображения в оптических и оптико-электронных приборах (ОЭП), включающих многоэлементные фотоприемники.
Изобретение относится к способам картографирования земной поверхности с борта самолета. .

Изобретение относится к области измерений, а именно к устройствам для получения изображений, специально предназначенных для фотограмметрии и фотографической съемки местности, и может быть использовано в фотоаппаратах, преимущественно кадровых, работа затворов которых управляется импульсами электрического тока.

Изобретение относится к приборостроению, в частности, к средствам исследования природных ресурсов Земли /ИПРЗ/, экологии и картографирования земной поверхности путем аэро- и космосъемок.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при аэрофотосъемочных работах для поворота и фиксации аэрофотоаппарата при многомаршрутной съемке, а также в других областях техники, где требуется автоматическое управление угловым положением различных объектов.

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к аэрофотосъемке

Изобретение относится к области определения положения объектов при выполнении съемки как в оптическом диапазоне, так и в произвольном диапазоне электромагнитного излучения и может использоваться при создании фотосъемочной и радиолокационной аппаратуры и при фотограмметрической обработке результатов съемки

Изобретение относится к диагностике состояния контактной сети

Способ включает фотографирование поверхности несколькими оптико-электронными фотоприемниками с частичным перекрытием получаемых субкадров, образующих кадр центральной проекции в виде полосы, ориентированной длинной стороной поперек направления движения носителя, получение кадров по мере движения носителя с их частичным перекрытием между собой и последующее объединение кадров в единое изображение. Субкадры получают фотографируя поверхность под углом к вертикали, последовательно увеличивающимся к концам полосы, причем все фотоприемники экспонируют одновременно. Устройство включает фиксирующее приспособление, в котором закреплены не менее двух оптико-электронных фотоприемников таким образом, что проекции их оптических осей на вертикальную плоскость находятся под углом к вертикали, однонаправлено изменяющимся от фотоприемника к фотоприемнику на величину меньше проекции угла поля зрения фотоприемника на указанную плоскость. Проекции оптических осей фотоприемников на другую вертикальную плоскость, перпендикулярную первой, составляют между собой угол не более 50% от проекции угла поля зрения фотоприемника на эту плоскость. Технический результат - увеличение ширины захвата без увеличения угла поля зрения объектива, минимизация изменения ракурса наблюдения при переходе между смежными кадрами, уменьшение времени экспозиции при съемке и вероятности получения смазанного изображения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Фотоприемник предназначен для получения единых цифровых фотоизображений мозаичного типа. Фотоприемник включает оптическую систему, содержащую, по меньшей мере, два объектива, и расположенный на ее фокальной поверхности фоточувствительный прибор в виде соответствующих числу объективов групп цифровых фоточувствительных матриц. Матрицы каждой группы расположены в ряд с промежутками. В первом варианте промежутки не превышают произведения числа эффективных пикселей на размер пикселя одной матрицы по оси ее симметрии, ориентированной вдоль ряда, умноженного на количество групп минус один. Группы матриц расположены параллельными рядами. Матрицы одной группы смещены относительно матриц другой группы вдоль направления их ряда на величину, не превышающую максимального промежутка между матрицами в ряду. Во втором варианте матрицы каждой группы расположены в ряд с промежутками вдоль оси, на которой лежат одноименные оси симметрии матриц. Оси рядов матриц разных групп расположены в параллельных плоскостях, проекции оптических осей объективов на которые образуют между собой угол в радианах, не превышающий частного от деления расстояния между соседними матрицами в ряду на произведение числа объективов на их фокусное расстояние. Технический результат - увеличение формата съемки при уменьшении геометрических и хроматических искажений. 3 н.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к приборам, используемым в горной промышленности для съемки сечения выработанного пространства. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Устройство для съемки сечений камерных горных выработок состоит из пластины и дальномеров, закрепленных на пластине неподвижно на двух сторонах пластины в шахматном порядке. Пластина выше ее центра тяжести перпендикулярно закреплена с трубой, которая расположена на горизонтальной направляющей, с возможностью перемещения по ней при помощи шнура, закрепленного с трубой. Дальномеры соединены между собой электрическим проводом и с механизмом регулирования, кроме этого, направляющая выполнена, например, из стального троса, а электрический провод, соединенный с дальномерами, расположен на направляющей и закреплен с помощью, например, карабинов и зафиксирован на них зажимами. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к лесному хозяйству и может быть использовано при оценке динамики глобальных климатических изменений в Арктике. Согласно способу проводят спектрометрические измерения в переходной зоне 69°…70° с.ш., содержащей тестовые участки в диапазоне 0,55…0,68 мкм и 0,73…1,1 мкм, а также синхронные радиометрические измерения в диапазоне СВЧ на длине волны ~30 см. Производят расчет значений вегетационного индекса NDVI для каждого пиксела кадра спектрометрических измерений. Формируют синтезированные матрицы измерений результирующего сигнала кадров изображений путем перемножения соответствующих пикселей значений NDVI и пикселей сигнала радиометрических измерений. По измерениям границы зоны тестового участка определяют пороговую величину синтезированного сигнала По. По пороговой величине с помощью программной обработки выделяют линию границы и производят визуализацию границы зоны лес-тундра и ее наложение на контурную карту Арктической зоны. Технический результат - увеличение контраста сигнала на границе переходной зоны лес-тундра. 4 ил.

Изобретение относится к способу и системе создания бесшовной фотокарты области топографической съемки. Изображения захватываются из устройств формирования обзорных и частичных изображений с различной степенью избыточности. В указанных изображениях идентифицируют общие признаки, соответствующие общим точкам местности. В соответствии с положением указанных точек определяют внешнюю ориентацию, связанную с частичным изображением. В соответствии с определенными внешними ориентациями объединяют частичные в бесшовную фотокарту. Технический результат - увеличение площади и высоты съемки, снижение времени сбора данных, а также экономических затрат, снижение влияния на управление воздушным судном. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 18 ил.

Изобретение относится к приборам, используемым в горной промышленности для съемки сечения выработанного пространства. Устройство для съемки сечений горных камерных выработок состоит из пластины, лазерных дальномеров, закрепленных на пластине и соединенных между собой и с механизмом регулирования, а также трубы, расположенной выше центра тяжести пластины и навешанной на горизонтальную направляющую из троса. Пластина выполнена с проемом, расположенным по ее оси, при этом к трубе прикреплена круговая угломерная шкала, с расположенной в центре шпилькой, на которую надета опора, а торцы опоры закреплены в посадочных отверстиях пластины. При этом опора выполнена с возможностью поворота вокруг оси шпильки, а пластина - с возможностью поворота вокруг оси опоры, кроме того, к трубе прикреплен электронный уровень, соединенный электрическим проводом с механизмом регулирования. Техническим результатом изобретения является повышение точности съемки сечений горных камерных выработок, а также точности построения сечений на маркшейдерской документации. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх