Сканирующие съёмочные системы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный аграрный университет»

Кафедра геодезии и картографии

РЕФЕРАТ

по фотограмметрии

на тему:

СКАНИРУЮЩИЕ СЪЁМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

Выполнила студентка гр.616-а

Терёхина Е.А.

Проверила: Патрушева Т.В.

Барнаул 2013

СОДЕРЖАНИЕ:

            Введение.......................................................................................................3

1. Нефотографические съёмочные системы…………………………………………3
2. История………………………………………………………………………………………..………3
3. Понятие сканирующих съемочных систем…………………………………………4
4. Сканирующие оптико-механические системы....................……………….6
5. Сканирующие оптико-электронные системы ………………….……………………….9
6. Сканирующие устройства и траектории сканирования......................11
7. Современные сканирующие системы....…………………………………………..12

Заключение............................................................................................13

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................14 
ВВЕДЕНИЕ

Нефотографические системы разработаны с целью расширения технических возможностей аэро- и космических методов изучения земной поверхности. Одним из примеров таких систем являются сканирующие съёмочные системы. Сканирование основано на использовании оптико-механических устройств, представляющих собой быстро вращающиеся оптические элементы: плоские зеркала, зеркальные призмы, пирамиды и т. п.

1. НЕФОТОГРАФИЧЕСКИЕ СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

К нефотографическим системам относят несколько классов съемочных устройств, которые разработаны с целью расширения технических возможностей аэро- и космических методов изучения Земли. Принципиальное их отличие от фотографических систем - применение иных сенсоров, регистрирующих широкий спектр излучения от земной поверхности, иных способов построения и передачи изображения.  Съемочные системы, установленные на космических летательных аппаратах, позволяют получать информацию о процессах, проходящих на Земле, в реальном или близреальном времени. Специфика космических полетов потребовала конструирования съемочных систем специального вида: компактных, малой массы и энергопотребления, с возможностью передачи без искажения информации на пункт приема непосредственно в процессе съемки и т. д. Съемочные системы, применяемые при космических съемках, успешно используют в аэросъемочном процессе.

2. ИСТОРИЯ

Концепция съемки с помощью сканирующих систем была предложена доктором Отто Хофманом еще в 1970-е годы и использовалась немецким аэрокосмическим центром DLR (Deutsches Zentrum fur Luft- and Raumfahrt) при разработке цифровых съемочных систем космического базирования. В соответствии с ней линейный сканер оснащается тремя ПЗС-линейками, установленными так, что одна из них формирует строку шириной в один пиксел, содержащую изображение соответствующей полосы местности по направлению «вперед», другая – «в надир», а третья – «назад». Совокупность строк, создаваемых одной ПЗС-линейкой по мере перемещения носителя, формирует изображение полосы местности произвольной длины, называемое ковром; три линейки ПЗС формируют три полосы (ковра). 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.

3. СКАНИРУЮЩИЕ СЪЕМОЧНЫЕ СИСТЕМЫ

Сканирующие съемочные системы (сканеры) отличаются от других прежде всего принципом построения изображения, которое строится построчным сканированием (просматриванием) местности (рис. 1, а).

Сканирующее устройство воспринимает отраженный (излученный) электромагнитный поток от элементарных площадок снимаемого объекта 1, расположенных вдоль строки. Размер площадки зависит от высоты съемки, мгновенного угла 2а изображения оптической системы 2 сканера и положения относительно оси сканирования (рис 1, б). Угол захвата 2 α определяет ширину полосы на местности. Переход от одной строки к другой (построчная развертка) происходит в результате поступательного движения летательного аппарата. Для исключения разрывов между строками скорость сканирования согласуется с высотой и скоростью полета. В качестве сканирующих устройств 4 используют вращающиеся оптические элементы: плоские зеркала, зеркальные призмы, пирамиды и т. п.

В сканирующих системах применяют различные типы приемников электромагнитного излучения: тепловые (теплоэлектрические) и фотонные (фотоэлектрические). Тепловые системы работают на основе преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, в фотонных системах уровень сигнала определяется количеством поглощенных фотонов. Наибольшее применение получили сканеры, приемниками в которых служат линейки ПЗС. Различные типы сенсоров имеют различную спектральную чувствительность и охватывают спектральный интервал от видимой зоны до дальней инфракрасной зоны (0,4... 16 мкм). Выбор приемника излучения и его спектральной чувствительности зависит от спектрального интервала съемки.

Сканирование можно проводить различными методами по разнообразным траекториям. Чаще применяют оптико-механическое сканирование по одному или двум взаимно перпендикулярным направлениям. В первом случае от одной строки изображения к другой переходят за счет перемещения летательного аппарата. Регистрация лучистой энергии происходит интегрально, т. е. воспринимается суммарный поток излучения во всем используемом спектральном интервале.

В сканерах устанавливают несколько сенсоров, позволяющих получать изображение одновременно в различных спектральных каналах. Непосредственно поступившее в приемник электромагнитное излучение измеряют, сравнивая возникший аналоговый видеосигнал от объекта с эталонным видеосигналом, создаваемым эталонным (искусственным или естественным) источником излучения. Результирующему сигналу присваивают цифровой код, пропорциональный данному сигналу. Кодированные видеосигналы составляют цифровое изображение.

Результаты съемки передаются на пункт приема по радиоканалу. Поступившие кодированные сигналы записываются на магнитный носитель. Далее может быть выполнено преобразование кодированных сигналов и получение аналогового изображения, подобного фотографическому. Результаты съемок удобнее передавать пользователю на магнитных носителях, например на СД-дисках, с последующей визуализацией на местах обработки снимков.

Рис. 1. Схема сканирования местности:

1 — площадка мгновенного обзора, элемент местности; 2— объектив; 3— механизм вращения зеркала; 4 — сканирующее зеркало; 5 — приемник излучения; б — устройство магнитной записи; 7— передающее устройство; 8— направление сканирования; 9— направление полета.

4.ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Сканирование основано на использовании оптико-механических устройств, представляющих собой быстро вращающиеся оптические элементы: плоские зеркала, зеркальные призмы, пирамиды и т. п. Сканирующее устройство воспринимает отраженный электромагнитный поток от элементарных площадок снимаемого объекта, расположенных вдоль строки сканирования. Размер площадки зависит от высоты съемки, мгновенного угла изображения оптической системы сканера и положения относительно оси сканирования. Угол захвата определяет ширину полосы на местности. Переход от одной строки к другой (построчная развертка) происходит в результате поступательного движения | летательного аппарата. Для исключения разрывов между строками скорость сканирования согласуется с высотой и скоростью полета. Попадающие на поверхность сканирующего элемента фрагменты изображения местности направляются через зеркальный объектив на точечный приемник, который преобразует лучистую энергию в электрический сигнал. Этот сигнал заносится на магнитный носитель в виде цифрового кода, зависящего от амплитуды сигнала, и в последующем передается на Землю. Как правило, различается 256 уровней видеосигнала, соответствующих изменению яркости объектов (0 -черный, 255 - белый). В многозональных системах поступающий сигнал с помощью системы фильтров разделяется на спектральные каналы с очень узкой полосой. В сканирующих системах применяют различные типы приемников электромагнитного излучения: тепловые (теплоэлектрические) и фотонные (фотоэлектрические). Тепловые системы работают на основе преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, в фотонных системах уровень сигнала определяется количеством поглощенных фотонов.

Различают несколько типов оптико-механических сканирующих систем, базирующихся на использовании линейной, конической горизонтальной и конической вертикальной разверток.

В системах с линейной строчной разверткой (рис. 2, а) сканирование выполняется путем вращения оптического элемента (зеркала или призмы) в плоскости, перпендикулярной к направлению полета носителя. Формируемое изображение соответствует полосе местности, перпендикулярной к направлению полета. Расстояние от сканирующего устройства до приемника неизменно, поэтому все точки принимаемой строки изображения равноудалены от сканирующего устройства и образуют дугу окружности. Очередная строка изображения формируется за счет перемещения носителя относительно объекта, а их совокупность образует цилиндрическую поверхность.

В системах с вертикальной конической разверткой (рис. 2, б) плоскость сканирования в общем случае наклонна, и сканирующий луч, образованный вращающимся зеркалом, скользит по образующей конуса. Формируемое изображение соответствует полосе местности в виде дуги окружности с центром в точке надира. Все точки принимаемой строки проектируются на плоскость, так как располагаются на образующей конуса, на одинаковом расстоянии от его вершины, равном расстоянию от сканирующего элемента до приемника. Строки изображения формируются за счет перемещения носителя относительно объекта, а их совокупность образует панораму.

Рис. 2. Геометрия сканера с линейной строчной (а), вертикальной (б) и горизонтальной (в) конической разверткой

В системах с горизонтальной конической разверткой (рис. 2, в) сканирование выполняется за счет вращения носителя вокруг нормали к поверхности Земли. Формируемое изображение (строка развертки) соответствует полосе местности в виде гиперболы. Так как при этом расстояние между центром фокусирующей системы и приемником остается неизменным, а развертка строки осуществляется вращением аппаратуры, то поверхностью проектирования является цилиндр. Очередная строка изображения формируется путем дискретного изменения угла наклона зеркала, размещенного перед оптической системой, а совокупность строк образует панораму, соответствующую поверхности цилиндра.

5. СКАНИРУЮЩИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ

  Сканирующие оптико-электронные системы получили в последние годы наибольшее распространение, что объясняется простотой их конструкции, отсутствием подвижных элементов и стабильностью, высокой точностью обработки. Оптико-электронными называют системы, в которых информация об исследуемом объекте переносится оптическим излучением, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрический сигнал.

Структура многих современных оптико-электронных приборов достаточно сложна. Она включает большое число различных по своей природе и принципу действия звеньев – аналоговых и цифровых преобразователей электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромеханических узлов и др.  
 Действие оптико-электронных приборов основано на способности к приему и преобразованию электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра: от ультрафиолетовой, до видимой и инфракрасной.  
 Строка изображения в таких системах формируется одномоментно, с помощью линеек, построенных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), располагающихся в фокальной плоскости приемной оптики перпендикулярно к направлению движения носителя. Сформированная в приемнике строка изображения преобразуется в цифровые сигналы, характеризующие отражательную способность элементов объекта в том или ином диапазоне волн, и запоминается на магнитных устройствах. Несколько тысяч фотоприемников (детекторов) размером в несколько микрометров каждый создают строку первичного изображения. Развертка в панораму осуществляется за счет движения носителя съемочной аппаратуры.

Одним из основных узлов оптико-электронной съемочной систем является радиометр (фотометр, видеоспектрометр), с помощью которого измеряется интенсивность излучения, зарегистрированного в пределах в каждого пиксела. Конструкция многозонального сканера, предназначена для получения снимков в нескольких спектральных зонах, дополняется светофильтрами или специальной системой, которая расщепляет лучистый поток на спектральные составляющие и направляет их на различные приемники. Разрабатываемые в США гиперспектральные радиометры способны осуществлять регистрацию излучения в 200 и более рабочих каналах.

Геометрическая особенность материалов оптико-электронного сканирования заключается в том, что строка изображения, состоящие из детектора формируются по законам центрального проектирования из точки S, расположенной на удалении f от главного детектора. Панорама, построенная путем объединения строк, соответствует законе линейно-строчного сканирования. Изображение в оптико-электронной съемочной системе строится с помощью зеркального объектива, размеры которого в два-три раза меньше, чем линзового. Такие системы характеризуются высокой радиометрической точностью, малым углом зрения и большим фокусным расстоянием.

Стремление повысить эффективность эксплуатации сканерных систем тем привело к разработке конструкции, обеспечивающей съемки местности, расположенной не только по трассе полета, но и в стороне от нее. Это достигается путем отклонения оптической оси съемочной системы (направления обзора) от вертикали в произвольном направлении в зависимости от размещения нужного объекта, причем, величина такого отклонения в различных системах колеблется от 20 до 40°. Такая возможность позволяет получать стереоскопические снимки не только с разных витков орбиты, но и с различных точек одного витка при разных отклонениях оптической оси от вертикали. 

Материалы космической съемки поступают в центры приема информации по радиоканалу, где выполняется их предварительная обработка, предусматривающая геометрическую и радиометрическую коррекцию восстановление искаженных и утерянных строк, привязку изображения по параметрам орбиты космического аппарата или по опорным точим, ортотрансформирование и др.

6.СКАНИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И ТРАЕКТОРИИ СКАНИРОВАНИЯ

Оптико-механических сканирующих устройств и их траектории сканирования. В оптико-механических сканирующих устройствах сканирование производится путем изменения направления оптической оси прибора. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы прибора.

Траектории сканирования могут быть самыми разнообразными. Оптико-механические сканирующие устройства достаточно инерционны, так как основаны на колебательном или вращательном движении сравнительно крупных оптических деталей; тепловизоры с оптико-механическими сканирующими устройствами более чувствительны, чем с фотоэлектронными сканирующими устройствами, так как в первых ширина полосы частот усилителей фототока может быть выбрана достаточно узкой. В качестве ПИ в тепловизорах с оптико-механическими сканирующими устройствами применяют фоторезисторы, чувствительные в инфракрасной области спектра. При этом различают тепловизоры с одноэлементным приемником и двумерным сканированием и тепловизоры с линейным многоэлементным приемником и одномерным сканированием. Второму варианту в настоящее время отдается предпочтение, хотя изменение чувствительности от элемента к элементу ухудшает качество получаемого изображения. [6]

7. СОВРЕМЕННЫЕ СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ

В настоящее время для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральные оптико-механические системы - сканеры, установленные на ИСЗ различного, назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множества отдельных, последовательно получаемых элементов. Термин "сканирование" обозначает развертку изображения при помощи сканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементно просматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистый поток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции по каналам связи. Изображение местности получают непрерывно на ленте, составленной из полос - сканов, сложенных отдельными элементами - пикселами. Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, но особенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земной поверхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементу которого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределах мгновенного поля зрения. Сканерное изображение - упорядоченный пакет яркостных данных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитную ленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму. В геологии используются материалы сканерных съемок с ИСЗ серии "Метеор". На этих спутниках установлены сканирующие устройства различной конструкции: с малым разрешением - МСУ-М, со средним разрешением - МСУ-С, с конической разверткой - МСУ-СК, с электронной разверткой - МСУ-Э.

Важнейшей характеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный угол зрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. В зависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точных сканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°. Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы.

Хорошо зарекомендовал себя сканер нового поколения, названный "тематическим картографом", которым были оснащены американские ИСЗ "Лэндсат-4 и -5". Сканер типа "тематический картограф" работает в семи диапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИК-диапазрне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большего времени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения. число пикселов на снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов. Сканирующие устройства могут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и для измерения радиации - сканирующие радиометры - и излучения - сканирующие спектрометры. [5]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сканирующие съемочные системы (сканеры) отличаются от других прежде всего принципом построения изображения, которое строится построчным сканированием (просматриванием) местности.

Лучшие в мировой практике сканеры новых поколений позволяют получать информацию с разрешением на местности до единиц сантиметров при съемке с авиационных и до долей и десятков метров – с космических носителей.[7]

БИБЛИОГРФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Агапов С.В.  "Фотограмметрия сканерных снимков".- М.:"Картгеоцентр",1996
2. Байкалова Т. В. "Определение геодезических координат точек местности": учебно-методическое пособие/ «АГАУ».-Барнаул: Концепт, 2011.
3. Мамедбеков С. Н. Фотограмметрия и ДЗТ: учебно- методическое пособие . Махачкала. 2009.
4. Обиралов А.И. Фотограмметрия и дистанционное зонирование; под ред. А.И. Обиралова; «Международная ассоциация «Агрообразование».-М.:КолосС,2006.
5. Федотов Г. А. Инженерная геодезия: учеб. для студентов вузов, Изд. 5-е, стер. - М.: Высш. шк., 2009
6. http://www.pandia.ru/855082/
7. http://knowledge.allbest.ru/air/3c0a65635a2bd68a5c53b89521306c27_0.html
8. http://otherreferats.allbest.ru/radio/00229674_0.html
9. http://add.coolreferat.com/docs/index-8026.html