Сканирующие съемочные системы.

Сканирующие съемочные системы оснащены тремя линейками ПЗС, обеспечивающими съемку по направлениям вперед, назад и в надир, а запись получаемых ими изображений узких полос местности (строк) осуществляется по мере перемещения носителя аппаратуры. Объединение отдельных строк, полученных линейками ПЗС под од­ним углом, образует полосу съемки произвольной длины, называемую ковром; три линейки ПЗС формируют три полосы (ковра).

Эта концепция съемки была предложена доктором Отто Хофма-ном еще в 1970-е годы и использовалась немецким аэрокосмическим центром (Deutsches Zentrum far Luft- and Raumfahrt - DLR) в ряде разработок цифровых съемочных система космического базирования

Полученные с помощью линейного сканера изображения мест­ности обладают весьма специфическими геометрическими и фото­метрическими свойствами, а их обработка связана с использованием своеобразной математической модели и специального программного обеспечения. Кроме того, получение таких изображений требует со­гласования навигационных параметров полета (скорости, высоты полета, пространственного разрешения снимков и пр.) с масштабом аэроснимка, а также применения оборудования высокой точности.

В настоящее время имеется целый ряд камер авиационного бази­рования с линейными датчиками изображения: HRSC-A, -АХ и -AXW (DLR); ADS (Leica GeoSystems); JAS 150 (Jena Optronik); 3-DAS-l и 3-ОС-1 (Werhli and Associates, Геосистема) и др.

1. Основные принципы и особенности линейного сканирования

Применение ПЗС-линейки предполагает использование принци­па линейного сканирования (push broom), позволяющего получить изображение узкой полосы местности поперек направления маршрута. Совокупность таких полос, формируемых за счет движения носителя (самолета или спутника), создает полное изображение местности. Для создания стереоскопического изображения используются отдельные каналы для съемки местности под разными углами.

К основным особенностям сканерного изображения местности можно отнести следующие:

1. Радиометрическое качество изображений. Практически все
кадровые камеры, построенные на ПЗС - матрицах, позволяют получить снимки с радиометрическим разрешением около 12 бит. Динамический диапазон ПЗС - линеек в2-3раза выше, чем ПЗС - матриц, что обеспечивает высокое фотометрическое качество снимков сканирующих аэрокамер и существенные преиму­щества их перед кадровыми.

В сканирующих камерах для получения цветного изо­бражения могут использоваться несколько ПЗС-линеек, чувствитель­ных к панхроматическому, синему, зеленому, красному и ближнему инфракрасному диапазонам с тем же геометрическим разре­шением, что и панхроматических.

2. Геометрические свойства изображений. Результаты линей­
ного сканирования представляются в виде строк изображений, считы­
ваемых с частотой 200 - 1000 Гц. Каждая строка, как и снимок кад­
ровой съемки, является результатом центрального проектирования
и характеризуется своими элементами внешнего ориентирования.

Объединение полученных при линейном сканировании строк в еди­ное изображение можно выполнить путем их трансформирования по элементам внешнего ориентирования. Однако вычисление угловых элементов внешнего ориентирования десятков и сотен тысяч строк по результатам построения сети фототриангуляции нереально, их ли­нейная интерполяция из-за беспорядочности изменения под влиянием атмосферных условий невозможна, и единственной альтернативой является их определение средствами инерциальной навигации.

Поэтому обязательными условиями выполнения сканерной съем­ки является использование системы прямого геопозиционирования GPS/IMU (спутниковая и инерциальная навигации) и сети постоянных (временных) базовых станций GPS или метода позиционирования РРР с использованием точных эфемерид. Совместная обработка спутниковых и инерциальных дан­ных позволяет воссоздать точную траекторию полета и определить элементы внешнего ориентирования строк изображений с частотой не реже 200 Гц. Таким образом, точность любой сканирующей камеры практически полностью зависит от параметров используемой системы определения пространственных координат.

3. Обеспечение стереоскопических измерений. При использо­
вании кадровых камер возможность стереоскопических измерений
(и, следовательно, определения пространственного положения точек
местности по их изображениям) обеспечиваются за счет продольно­
го перекрытия снимков. Величина этого перекрытия всегда превы­
шает 50%, и, следовательно, любая точка местности изображается на
снимках одного маршрута минимум два, а то и три раза.

Съемка местности сканирующей камерой осуществляется через три независимых канала: один из них направлен вниз (Nadir, N), второй отклонен от направления в надир на угол ₁ впе­ред (Forward, F), а третий - на угол ₂ назад (Backward, В). Причем ₂ > ₁ а отрезки на местности

NF = H*tg ₁и BF=H*tg ₂

называют коротким и длинным базисами соответственно.

Поэтому каждая точка местности изображается трижды, а стерео­скопические измерения могут быть выполнены по любой из трех стереопар (N-F, N-B или F-B).

Полное тройное перекрытие изображений открывает возможность выбора нужных снимков для обработки (что особенно важно при съемке застроенной территории) и существенного повышения уровня автоматизации работ при создании цифровой модели рельефа (ЦМР) за счет ее двукратного автоматического построения по изображениям разных каналов с последующей браковкой недостоверных измерений.

При выборе снимков для обработки стереопар учитывается, что углы ₁и ₂ не равны, и в разных комбинациях изображе­ний трех каналов точность измерений различна.

4. Геометрическая точность. В настоящее время имеются все
основания полагать, что технология производства светочувствитель­
ных датчиков обеспечивает микронную точность их изготовления
и гарантирует жесткую геометрическую связь между элементами изображения, а методы изготовления объективов с малой дисторсией и математический aппaрат учета поправок за дисторсию также хорошо отработаны. Поэтому если геометрическая точность кадровых снимков всецело определяется погрешностями объеди­нения их первичных изображений. При использова­нии сканерных снимков она определяется погрешностями объедине­ния строк изображения по данным интегрированных комплексов GPS/IMU.

Использование комплексов GPS/IMU обеспечивает приемлемую точность определения угловых элементов внешнего ориентирования. Точность определения координат центров фотографирования, достигающая 30 см даже при постобработке и использовании сети базовых станций, оказывается недостаточной для создания топографических планов мас­штаба 1:10000. Это и обуславливает необходимость как привязки аэро­снимков геодезическими методами, так и построения фототриангуля­ционной сети.