Принцип формирования изображения с помощью оптико-электронной сканерной съемочной системы. Системы координат сканера.

Оптико-электронные сканеры, основаны на применении линеек ПЗС, формирующие в один момент времени строку изображения. На рис.1 показан принцип сканирования с помощью оптико-электронной сканерной съемочной системы. Линейка ПЗС располагается в фокальной плоскости объектива. Изображение формируется за счет перемещения носителя камеры.

 

 

Рис.1

 

∆

Здесь Δ; размер пикселя линейки ПЗС, а Δ м – его размер на местности в метрах.

В результате получают непрерывное изображение снимаемого участка местности, состоящее из множества строк. В пределах одной строки изображение соответствует центральной проекции со своими элементами внешнего ориентирования, которые фиксируются во время съемки. Знание элементов внешнего ориентирования каждой строки изображения необходимо для корректной фотограмметрической обработки таких изображений.

У космических сканерных съемочных систем фокусное расстояния f как правило более метра для получения хорошего разрешения на местности (IKONOS – Δ м≈1м, QuicikBird - Δ м≈0.6м и т.д). Угол поля зрения маленький у таких сканеров, что позволяет снимать полосу поверхности земли шириной примерно 60 км при съемке в надир с разрешением 1м.

 

На рис.2 показана система координат сканера с одной линейкой ПЗС.

 

 

Рис.2

 

Начало системы координат сканера Sxyz совпадает с центром проекции S; ось z проходит через центр проекции перпендикулярно линейке ПЗС; ось y – параллельна линейке ПЗС; ось x – дополняет систему координат до правой (совпадает с направлением полета носителя).

 

На рис. 3 показана система координат сканерного изображения:

 

 

Рис.3

Ось y_с совпадает c одной из строк изображения, начало системы координат о находится в середине строки, а ось x_с – дополняет систему до правой.

По измеренной координате x_с точки изображения m(x_с,y_с) можно узнать в какой строке находится данная точка, а следовательно и время формирования изображения этой строки и ее элементы внешнего ориентирования.

Измерив координату y_с можно восстановить проектирующий луч, определяющий направление на точку местности, т.е. вектор (рис.2) имеет следующие координаты в системе координат сканера:

 

(1)

 

Где - ордината главной точки линейки ПЗС.

Координаты соответствующего единичного вектора r можно подсчитать по следующей формуле:

где (2)

 

Методы получения стереопар сканерных снимков

Два метода: со смежных орбит и с одной орбиты (в аэросъемке маршрут эквивалентен орбите).

1) Смежные орбиты:

 

 

Рис.4

Недостаток: нельзя точно выбрать базис, одну и ту же территорию снимают в разное время (различные освещенность, тени и т.д.);

 

2) Одна орбита:

Одна камера наклоняется сначала на угол α₁ а затем – на угол α₂

Рис.5

 

Задавая различные углы наклона камеры можно выбрать длину базиса.

 

3) Одна орбита Три камеры с наклоном оптических осей относительно друг друга на угол α. При этом одна камера смотрит в надир

 

 

Рис.6

 

В результате имеем 3 стереопары.

У каждой камеры должно быть свое фокусное расстояние с тем, чтобы масштабы изображений были одинаковыми.

(3)

очевидно, что,

, тогда для сохранения масштаба должно быть

 

Аналогично для камеры которая направлена вперед

4) Одна камера с тремя линейками

 

Для получения стереоскопических сканерных изображений в фокальной плоскости объектива сканерной съемочной системы располагают не одну а 3 или более линейки ПЗС, формирующих изображение одного и того же участка местности под разными углами (рис.7).

 

Рис.7 Схема одновременного сканирования с помощью 3 линеек ПЗС

x_н x_п являются постоянными величинами для камеры и определяются в результате ее калибровки

Определение координат точек местности по одиночному сканерному изображению (снимку)

Если при съемке с необходимой точностью были определены элементы внешнего ориентирования съемочной системы в момент получения строки изображения, то определение координат точек местности выполняется по известным формулам.

где (4)

 

Xsi, Ysi, Zsi – значения линейных элементов внешнего ориентирования съемочной системы в момент получения изображения i строки снимка.

 

A_i, ω_i, α_i, æ_i - матрица поворота и соответствующие ей углы наклона и поворота системы координат сканера в момент формирования i строки изображения.

По координате x_с мы определяем время формирования изображения i строки снимка.

Если используется камера с несколькими линейками, то:

 

, или (5)

 

Если при съемке элементы внешнего ориентирования сканера неизвестны или известны с недостаточной точностью, обработку снимков производят в 2 этапа:

1. По опорным точкам определяют значения элементов внешнего ориентирования сканера в момент формирования изображения начальной строки и закон изменения этих элементов во времени;

2. По формулам (4) определяют координаты точек местности.

 

Эта методика подходит только для космических снимков, т. к. траекторию движения аппарата в космосе легко смоделировать.

1) Для каждой опорной точки записывают уравнение коллинеарности:

 

, где , а (6)

 

 

(7)

– значения элементов внешнего ориентирования сканера в момент формирования первого строки снимка;

k₁,…..k₆ – коэффициенты, характеризующие закон изменения элементов внешнего ориентирования сканера во времени;

(8)

 

t_i - время получения i - й строки изображения, t_o - время получения первой строки изображения. Эти величины определяются по измерениям x_c точек на сканерном изображении.

Уравнения (7) характеризуют линейный закон изменения элементов внешнего ориентирования сканера в зависимости от времени. Возможна другая модель изменения ЭВО сканера, например полином второй степени:

(9)

 

Коэффициенты d будут описывать ускорение изменения ЭВО сканера.

 

Каждая опорная точка дает возможность составить 2 уровня (6). Для определения неизвестных значений элементов внешнего ориентирования сканера в момент формирования первой строки Xs_o….κ_o и коэффициентов k₁… k₆ необходимо измерить min 6 опорных точек для составления 12 уравнений. Если еще необходимо определить d _i (ускорение), то необходимо 9 опорных точек.

При решении обратной засечки по сканерному изображению для равнинной территории возникает неопределенность (множественность) решения задачи определения элементов внешнего ориентирования сканера для всех его положений в пространстве X_So X_Si (рис.8).

Для избежания этого эффекта следует зафиксировать один из элементов: X_So, Z_So, α_o. При космической съемке лучше зафиксировать высоту фотографирования Z_So.

 

 

Рис.8

 

После решения обратной засечки определение координат точек местности осуществляется по формулам (4).