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Date
2005Type
- Doctoral Thesis
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yes
Altmetrics
Abstract
The topic of this research is the development of a mathematical model for the georeferencing of imagery acquired by multi-line CCD array sensors, carried on air- or space craft. Linear array sensors are digital optical cameras widely used for the acquisition of panchromatic and multispectral images in pushbroom mode with spatial resolution ranging from few centimeters (airbomesensors) up to hundredsmeters (spacebome sensors). The image shave very high potentials for photogrammetric mapping at different scales and for remote sensing applications. For example, they can be used for the generation of Digital Elevation Models (DEM), that represent an important basis for the creation of Geographie Information Systems, and the produetion of 3D texture modeis for visualization and animation purposes. In the classical photogrammetric chain that Starts from the radiometric preprocessing of the raw images and goes to the generation of products like the DEMs,the orientation ofthe images is a fundamental step and its accuracy is a crucial issue during the evaluation of the entire system. For push broomsensorshe triangulation and photogrammetric point determination are rather different compared to the Standard approaches for füll frame imagery and require special investigations on the sensor geometry and the acquisition mode. Today various models is based on different approaches have been developed, but few of them are rigorous and can be used for a wide class of pushbroom sensors. In general a rigorous sensor model aims to describe the relationship between image and ground coordinates, according to the physical properties of the image acquisition. The functional model is based on the collinearity equations. The sensor model presented in this thesis had to fulfill the requirement of being rigorous and at the same time as flexible as possible and adaptable to a wide class oflinear array sensors. In fact pushbroom scanners in use show different geometric characteristics(optical Systems, number of CCD lines, scanning mode, stereoscopy)and for each dataset specific information are available (ephemeris, GPS/INS observations, calibration, other internal parameters). Therefore the model needs to be dependent on a certain number of parameters that may change for each sensor. According to the availability ofinformation on the sensor internal and external orientation, the proposed model includes two different orientation approaches. The first one, the direct georeferencing one, is based on the estimations of the ground coordinates of the points measured in the images through a forward intersection, using the external orientation provided by GPS and INS instruments or interpolated by ephemeris or computed using the orbital parameters (satellite case). This approach does not require any ground control points, except for final checking, and does not estimate any additional parameters for the correction of the interior and exterior orientation. For this reason, the accuracy of this method dependson the accuracy ofthe external and internal orientation data. The alternative orientation method, based on indirect georeferencing, is used if the sensor external and internal orientation is not available or not enough aecurate for high-precision photogrammetric mapping. This approachis a self-calibrating bündle adjustment. The sensor position and attitude are modelled with 2nd order piecewise polynomial functions(PPM) depending on time. Constraints on the segment borders assure the continuity of the functions, together with their first and second derivatives. Using pseudo-observations on the PPM parameters, the polynomial degree can be reducedto one (linear functions) or even to zero (constant functions). If GPS and INS are available, they are integrated in the PPM. For the self-calibration, additional parameters (APs) are used to model the lens internal parameters and distortions and the linear arrays displacements in the focal plane. The parameters modelling the internal and external orientation, together with the ground coordinates of tie and control points, are estimated through a least-squares bündle adjustment using well distributed ground control points. Theuse ofpseudo-observations allows the user to run the adjustment fixing any unknown parameters to certain values. This option is very useful not only for the external orientation modelling, but also for the analysis of the single self-calibration parameter's influence. The weights for the observations and pseudo-observations are determined according to the measurement accuracy. A blunder detection procedure is integrated for the automatic detection of wrong image coordinate measurement. The adjustment results are analyzed in terms of internal and external accuracy. The APs to be estimated are chosen according to their correlations with the other unknown parameters (ground coordinates of tie points and PPM parameters).A software has been developed under Unix environment in C language. The flexibility of the model has been proved by testing it on MOMS-P2, SPOT-5/HRS, ASTER, MISR and EROS-AIstereo images. These sensors have different characteristics (single-lens and multi-lens optical Systems, various number of linear arrays, synchronous and asynchronous acquisition modes), covering a wide ränge of possible acquisition geometries. For each data set both the direct and indirect models have been used and in all cases the direct georeferencing was not aecurate enough for high aecurate mapping. The indirect model has been applied with different ground control points distributions (when possible), varying the PPM configurations (number of segments, polynomials degree) and with and without self-calibration. Excluding EROS-AI, all the imagery has been oriented with sub-pixels accuracy in the check points using a minimum of 6 ground control points. In case of EROS-AI, an accuracy in the ränge of 1 to 2 pixels has been achieved,due the lack of information on the geometryofthe sensor asynchronous acquisition. For the ASTER and SPOT-5/HRS datasets, a DEM has also been generated and compared to some reference DEMs. New cameras can be easily integrated in the model, because the required sensor information are accessible in literature as well as in the web. If no information on the sensor internal orientation is available, the model supposes that the CCD lines are parallel to each other in the focal plane and perpendicular to the flight direction and estimates any systematic error through the self-calibration. The satellite's position and velocity vectors, usually contained in the ephemeris, are required in order to compute the initial approximations for the PPM parameters.If this information is not available, the Keplerian elements can be used to estimate the nominal trajeetory. For pushbroom scanners carried on airplane or helicopter the GPS and INS measurementsare indispensable, due to the un-predietability of the trajectory. II tema di questa ricerca e lo sviluppo di un modello matematico per la georeferenziazione di immagini acquisite da sensori CCD lineari, montati su aereo o satellite. I sensori lineari sono strumenti ottici digitali con metodo di acquisizione "pushbroom". Essi sono ampiamente usati per generare immagini in pancromatico e multispettrale con risoluzione spaziale variabile da pochi centimetri (sensori su aereo) fino a centinaia di metri (sensori su satellite). Le immagini hanno grandi potenzialita' per la restituzione fotogrammetrica a scale differenti e per varie applicazioni nel telerilevamento. Per esempio, esse possono essere usate per la generazione dei modelli digitalidelle altezze (DEM), che rappresentano una base importante per la creazione dei sistemi d'informazione territoriale e la produzione dei modelli 3D per animazioni e di visualizzazioni. Nella classica catena fotogrammetrica che inizia con il preprocessamento radiometrico delle immaginiallo stato originale e arriva allagenerazione di prodotti come i DEMs,l'orientamento delle immaginie un punto basilare e cruciale per la valutazione di intero sistema. Per i sensori di tipo pushbroom la triangolazionee il posizionamento fotogrammetrico dei punti sono piuttosto differenti se confrontati ai metodi Standard per i sensori digitali a matrice e richiedono indagini speciali sulla geometria e sul modo di aquisizione del sensore stesso. Oggi vari modelli matematici sono disponibili per l'orientamentodi sensori pushbroom,mapochi di loro sono rigorosi e possonoessere usati per una vasta gamma di sensori. In generale, un modello rigoroso mira a descrivere il rapporto fra le coordinate immagine e quelle terreno secondo le proprietä fisiche dell'aquisizione de H'immagine. Di conseguenza il modello funzionale e basato sulle equazioni di collinearita'. II modello matematico presentato in questatesi deve soddisfare la condizione di essere rigorosoe nello stesso momento il piu' possibile flessibile ed adattabile a vari sensori lineari. In effetti gli strumenti a scansione lineare presentano diverse caratteristiche geometriche (sistemi ottici, numerodi linee CCD,metodo di acquisizione, tipo di ricoprimento stereoscopico)con specifiche informazioni ausiliari (effemeridi, osservazioni da GPS/INS, parametri di calibrazione, altri parametri intemi). Di conseguenza il modello deve dipendere da un determinato numero di parametri variabiliper ogni sensore. A seconda della disponibilitä di informazioni sull'orientamento interno ed estemo dello strumento, il modello proposto include due metodi differentidi georeferenziazione. II primo, detto diretto, e basato sulla determinazione delle coordinate terreno dei punti misuratinelle immaginiat traverso l'intersezione dei raggiomologhi, usando l'orientamento estemo fornito dagli strumenti a bordo o interpolato dalle effemeridio calcolato dai parametri orbitali (caso per satelliti). Questo metodo non richiede punti d'appoggio, eccetto per il controllo finale, e non estima nessun parametro supplementäre per la correzione de H'orientamento interno ed esterno. Per questo motivo, l'accuratezza dei risultati dipende da H'accuratezza delle misuredi orientamento interno ed estemo. L'altro metodo di orientamento, basato sulla georeferenziazione indiretta,e usato se i parametri di orientamento interno ed estemo dello strumento non sono disponibili o non abbastanza precisi per una restituzione fotogrammetrica di alta precisione. II metodo indiretto e una compensazione a stelle proiettive con auto-calibrazione. La posizione e l'assetto dei centri di proiezione sono modellati con segmenti polinomiali di secondo ordine (PPM) dipendentidal tempo. Opportuni vincoli sui bordi di ogni segmento assicurano la continuitä delle funzioni, insieme alle loro derivate prime e seconde. Usando pseudo-osservazioni sui parametri PPM, il grado polinomiale puö essere ridotto ad uno (funzioni lineari) o a zero (funzioni costanti). Se le osservazioni da GPS e INS sono disponibili, esse sono integrate nel PPM. Per l'autocalibrazione, parametri supplementari (APs) modellano le variazioni e le distorsioni delle lenti ed eventuali spostamenti e rotazioni delle linee CCD nel piano focale. I parametri che modellano l'orientamento in temo ed estemo, insieme alle coordinateterreno dei punti d'appoggio e di legame, sono stimati con una compensazione ai minimi quadrati usando punti d'appoggio ben distribuiti nell'immagine. L'uso di pseudo-osservazioni permette all'operatore di ripetere la compensazione fissando opportuni parametri incogniti a determinativalori. Questa opzione e molto utile non soltanto per la modellazione dell'orientamento estemo, ma anche per l'analisi de H'influenza di ogni singolo parametro aggiuntivo sugli altri. I pesi per le osservazioni e le pseudo-osservazioni sono determinatidall'accuratezzadelle misure. Durantela compensazione gli errori nelle misure delle coordinate immagine sono identificati automaticamente. La compensazione e' analizzata in termini di accuratezza interna ed estema. I parametri aggiuntivi da stimare sono scelti a secondadelle loro correlazioni con gli altri parametri incogniti (coordinate oggetto dei puntidel legame e dei parametri PPM). Basato su questo modello, un Software e stato sviluppatoin linguaggio C nel sistema operativo UNIX. La flessibilitä del modelloe stata dimostrata verificando losu MOMS-P2, SPOT-5/HRS, ASTER-VNIR,MISRe EROS-AI. Questi sensori hanno caratteristiche differenti (sistemi ottici con una o piu' lenti, numero di linee CCD, acquisizione sincrona ed asincrona)e coprono una vasta gamma di geometrie di aquisizione. Per ogni dataset sia il metodo diretto che quello indiretto sono stati usati; in tutti i casi la georeferenziazione diretta non ha dato risultati soddisfacenti. II metodo indiretto e stato applicato con diverse distribuzioni di punti d'appoggio (se possibile), variando le configurazionidei PPM (numero di segmenti, grado dei polinomi),con e senza auto-calibrazione. Aparte EROS-AI, tutte le immagini sono state orientate con precisione inferiore al pixel nei punti di controllo usando un numero minimo di 6 punti d'appoggio. Nel caso di EROS-AI, l'accuratezza era nell'ordine di 1 - 2 pixel, a causa della mancanza di informazioni sulla geometria dell'aquisizione asincrona del sensore. Per SPOT-5/HRS e. ASTER, il corrispondente DEM e stato generato e confrontato con quelli di riferimentoe risultati soddisfacenti sono stati raggiunti. Nuovi sensori lineari possono essere integrati facilmente nel Software, poiche' le informazioni necessariesul sensore sono accessibili in letteratura o in internet. Se i parametri di calibrazione non sono disponibili, il programma suppone che le linee CCD si ano parallele le une alle altre nel piano focale e perpendicolarialla direzionedi volo e stima l'errore sistematico con un'auto-calibrazione. I vettori di posizione e di velocitä del satellite, contenuti solitamente nelle effemeridi, sono richiesti per calcolare le approssimazioni iniziali per i parametri PPM. Se queste informazioni non sono disponibili, gli elementi di Keplero possono essere usati per valutare la traiettoria nominale. Per i sensori pushbroom montati su aereo o elicottero le misure da GPS e INS sono indispensabili, poiche' la traiettoria non e' compietamente prevedibile. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-a-004946341Publication status
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Contributors
Examiner: Grün, Armin
Journal / series
Mitteilungen / Institut für Geodäsie und Photogrammetrie an der Eidgenössischen Technischen Hochschule ZürichVolume
(85)Publisher
Institute of Geodesy and Photogrammetry, Swiss Federal Institute of Technology, ETHSubject
GEOGRAFISCHE INFORMATIONSSYSTEME; GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM; ACTIVE SENSORS + SATELLITE SENSORS IN REMOTE SENSING (GEODESY); DIGITAL ELEVATION MODELS + DIGITAL TERRAIN MODELS (GEODESY); LADUNGSGEKOPPELTE BAUELEMENTE, CCD (ELEKTRONIK); CHARGE-COUPLED DEVICES, CCD (ELECTRONICS); DIGITAL ELEVATION MODELS + DIGITAL TERRAIN MODELS (GEODÄSIE); ACTIVE SENSORS + SATELLITE SENSORS IN REMOTE SENSING (GEODÄSIE)Organisational unit
03220 - Grün, Armin
Notes
Diss., Technische Wissenschaften, Eidgenössische Technische Hochschule ETH Zürich, Nr. 15894, 2005.More
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