Литература

Лазерная локация земли и леса

8.5. Кадровые и линейные цифровые фотографические системы

Термин «линейный сканер» применительно к аэрофотографическим системам не является общепризнанным. Многие утверждают, что это термин неверно отражает суть приборов этого типа. Тем не менее, мы будем пользоваться именно этим привычным для нас термином.

Производители, как правило, ориентируются только на один из двух указанных  типов. Современные технологии разработки и создания цифровых метрических аэрофотоаппаратов слишком сложны и ресурсозатратны, чтобы позволить себе «роскошь» поддержки сразу двух концепций. Различия концепций касаются не только принципов построения оптических и электронных компонентов приборов, но и всей идеологии их использования, включая полевые, аэрофотосъемочные, фотограмметрические и камеральные работы.

Концептуальные различия на техническом уровне вылились в существенные расхождения рыночных концепций, стратегий продвижения и поддержки своих продуктов, реализуемых компаниями-производителями. Существует мнение даже о возникновении рыночных войн, например, между Leica и Intergraph.

Для того чтобы придти к объективному заключению представим наиболее распространенные доводы в пользу линейных фотографических сканеров:

  1. Технология фотографических линейных сканеров первоначально была разработана для установки на космических аппаратах и, лишь потом была «адаптирована» для аэросъемочных целей. Именно по этому принципу сегодня работает большинство спутников дистанционного зондирования Земли.  
  2. Эта технология обеспечивает исключительно высокое качество цветопередачи за счет отсутствия различий в разрешающей способности «цветных» и панхроматических сенсоров.  
  3. Линейные приемники «сильней» матричных по соотношению сигнал/ шум. Данные съемки, полученные с помощью сканеров, имеют более широкий фотометрический динамический диапазон.
  4. Приборы, работающие по принципу линейного сканирования, обеспечивают формирование непрерывных «полос» данных, получаемых практически при постоянном угле визирования. В отличие от систем кадрового типа, в линейных сканерах не наблюдается «скачка ракурса» от снимка к снимку. Вместе с тем, за счет использования нескольких линеек сенсоров, ориентированных под различными продольными углами к надиру имеется возможность как стереоскопического наблюдения данных, так и возможность проведения практически всех видов стереофотограмметрической обработки, в том числе, развитие фототриангуляционных сетей.

Приведенные аргументы следует признать справедливыми. Однако перед тем как продолжить обсуждение и перейти к объективному анализу преимуществ и недостатков кадровых и линейных систем, рассмотрим более подробно чисто фотограмметрические аспекты формирования изображений для обоих типов аэрофотоаппаратов. В системах кадрового типа принцип формирования изображения может рассматриваться как традиционный, основанный на законах центральной проекции (Лобанов, 1983). Представим необходимые пояснения по фотограмметрическим принципам формирования изображений в системах линейного типа.

Ошибочно считается, что линейные фотографические сканеры, в частности ADS–40 компании Leica, значительно уступают кадровым аэрофотоаппаратам, причем как цифровым, так и аналоговым в результирующей фотограмметрической точности, так как в случае линейных сканеров для геопривязки данных используются GPS/INS системы (например, для ADS–40 это POS/AV компании Applanix), которые заведомо обеспечивают меньшую точность, чем классические фоторгамметрические процедуры формирования и уравнивания блоков (маршрутов) аэрофотоснимков. Подобные утверждения основаны на предположении, что упомянутые фотограмметрические процедуры просто неприменимы к данным линейных сканеров, так как в сознании многих центральное понятие фотограмметрии, связка лучей, прочно ассоциируется с кадром. Раз нет кадра, значит нет и связки, а значит нет и всего остального.

Однако, это совершенно не так. Подобные утверждения – не более чем недоразумение. Использование технологии прямого геопозиционирования, т.е. GPS/INS систем в качестве окончательного средства геопозиционирования съемочных данных, есть атрибут средств лазерной локации. В случае же с линейными фотографическими сканерами GPS/INS средства наличествуют и действительно используются для геопозиционирования аэросъемочных данных. Однако в этом случае такое геопозиционирование является во многом предварительным, а вовсе не окончательным, как в случае с лазерной локацией. Кстати сказать, GPS/INS системы используются и во всех современных цифровых, и аналоговых аэрофотоаппаратах кадрового типа. В том числе и в двух главных конкурирующих с ADS-40 продуктах – DMC компании Intergraph и UltraCam–X компании Vexcel Imaging. Везде параметры внешнего ориентирования, определяемые с помощью GPS/INS систем, используются только в качестве начального приближения. Окончательные (точные) значения этих параметров определяются, как и при традиционном подходе, с использованием фотограмметрических процедур, хотя, конечно, значительно быстрее и достовернее – с использованием априорной информации, чем без нее. Отметим, что поддержку режима учета априорных данных по элементам внешнего ориентирования, поставляемых GPS/INS системами, сегодня представляют практически все фотограмметрические пакеты, например, BAE или Photomod. Роль GPS/INS данных в технологии линейных фотографических сканеров, конечно же, значительней, чем применительно к традиционным кадровым системам. Ведь именно эти данные позволяют «собрать» воедино отдельные строки изображения, приведя их к виду, пригодному для визуального анализа. Однако было бы совершенно неверно утверждать, что такая форма определения пространственных координат является окончательной. Она обязательно уточняется на последующих этапах  обработки. А что касается жестких связок проецирующих лучей, то они существуют как в кадровом, так и в линейном случаях, хотя в последнем не столь явно и все же с некоторым вспоможением со стороны GPS/INS систем. Ниже приведены некоторые рассуждения, помогающего осмыслить этот нетривиальный факт. Обратимся к простейшей схеме линейного фотографического сканера, предполагающего возможность выполнения полноценной фотограмметрической обработки.

На рисунке 133 показан сканер с тремя линейками сенсоров, расположенных, естественно, в фокальной плоскости объектива и обозначенных на рисунке 133 как 1, 2, 3. Соответственно, следы (проекции) сенсоров на поверхности сцены обозначены на рисунке как 1', 2', 3'. Каждый такой след соответствует одной линии сканирования, получаемой одномоментно. Частота сканирования (съема информации с линейки) достаточно высока и, например, в ADS–40 может составлять 800 Гц. Последовательная временная совокупность линеек формирует непрерывное изображение сцены (полосу), отдельно для каждого линейного сенсора. Для примера, изображенного на рисунке 133 мы будем иметь три полосы.

pic_133.png
Рисунок 133. Схема работы линейного сканера

Попутно отметим, что для выполнения равенства продольного и поперечного разрешения необходимо согласованно выбрать значения частоты сканирования F, высоты съемки H и скорости движения носителя V. Но это детали, главное же состоит в следующем:

  • в каждый конкретный момент времени линейный сенсор выполняет проецирование поверхности сцены на фокальную (картинную) плоскость оптической системы сканера, причем строго подчиняясь закону центральной проекции. 
  • взаимное пространственное и угловое положение линейных сенсоров в фокальной плоскости известно абсолютно точно и неизменно, т.е. его можно считать таковым для целей настоящего исследования. Иными словами, вполне корректно говорить, что и для линейного сканера также как и для фотоаппарата кадрового типа определены все те же 6 элементов внутреннего ориентирования (по крайней мере, шесть, а может быть и больше).

Вообще, в части геометрии приемника различия между кадровыми и линейными системами не так уж и велики. Действительно, в рассматриваемом нами примере используются три линии сенсоров, расположенных в фокальной плоскости объектива. Ничто не мешает нам трактовать их как часть матричного (кадрового!) приемника, из которого удалены все строчки, за исключением именно этих трех.

А вот в чем, линейные и кадровые системы действительно различаются, так это в принципах формирования изображений:

  • В случае кадровой системы каждый аэрофотоснимок представляет собой одномоментный «слепок», полученный из единого центра проекции. Т.е. камеру можно считать неподвижной в течение всего времени совершения съемки. Строго говоря, это, конечно, не совсем так – носитель продолжает непрерывное движение в течение всего времени экспозиции, т.е. времени, когда открыт затвор. Но это не меняет существа дела – кадровую систему можно считать в принципе неподвижной в момент совершения снимка. 
  • В случае линейного сканера также формируется изображение земной поверхности, обладающее вполне определенным набором изобразительных и метрических свойств. Как и в случае с метрическими камерами на таких изображениях можно выделить хорошо определимые точечные (контурные) объекты, характеризуемые вполне конкретными геодезическими координатами. Как и в случае с кадровыми системами, такие точки можно и нужно использовать в качестве опознаков или связующих точек при фототриангуляционном развитии съемочной сети. Но: в случае линейных сканеров изображения этих точек и всех других объектов принципиально всегда получены в разные моменты времени, т.е. с различным положением главной точки и ориентацией системы координат (СК) аппарата.

Случаю с кадровой системой съемки, соответствует ситуация, изображенная на рисунке 134. Три опознака A, B, C, т.е. три дешифрируемые на аэрофотоснимке точки земной поверхности с определенными геодезическими координатами всегда позволяют однозначно выполнить абсолютное ориентирование аэрофотоснимка, т.е. определить пространственные координаты центра проекции Px, Py, Pz и углы ориентации СК камеры simbol_3.gifsimbol_36.pngsimbol_60.png, т.е. решить главную фотограмметрическую задачу. Наличие на борту GPS/INS системы может в общем случае помочь, т.к. сообщит априорные значения  P'x, P'y. P'z, simbol_3.gif', simbol_36.png', simbol_60.png'. Наличие такой априорной информации упростит задачу, но в таких данных нет настоятельной необходимости. При желании можно обойтись без нее.

pic_134.png
Рисунок 134. Формирование изображения кадровой камерой

Совершенно иначе обстоит дело с линейными сканерами (рис. 135). Изображения опознаков A, B, C будут гарантированно получены. Весьма вероятно с существенно более высоким, чем в кадровом случае, соотношением сигнал/ шум, цветопередачей, контрастом и т.д. Однако, как будет показано ниже, крайне неблагоприятным обстоятельством является тот факт, что изображения опознаков будут получены не одномоментно, а в течение некоторого временного интервала. В течение этого интервала аэросъемочная система будет, хотя и под контролем инерциальной системы, продолжать хаотическое движение.

pic_135.png
Рисунок 135. Формирование изображения линейным сканером

Приведенные подробные разъяснения принципиальных различий фотограмметрических концепций кадровых и линейных систем хорошо известны всем специалистам по современной аэросъемке. Однако выводы делаются разные. Некоторые эксперты относят эту особенность формирования изображений к одному из четырех своих «убийственных аргументов» против линейных сканеров: ни о какой реальной точности фотограмметрических данных, опирающихся существенно на кинематические GPS и инерциальные измерения говорить невозможно. Другие специалисты считают, что это совершенно не так: современные GPS/INS системы настолько точны, что им вполне можно доверять.

Мы же, несмотря на пристрастие к кадровым системам и глубокое уважение к профессору Леберлу, склонны поддержать тех, кто не делает трагедии из существенной зависимости линейных сканеров от GPS и инерциальных данных.

Наша позиция основана, в том числе, и на многолетнем личном опыте использования систем прямого геопозиционирования. Мы не склонны рассматривать линейные сканеры как «тупиковое направление» развития современной цифровой аэрофотографии. В конечном итоге, нас интересует, в какой мере связку проецирующих лучей полученных, как показано выше неодномоментно, можно считать «жесткой», пригодной для фотограмметрических построений и вычислений. Эта проблема иллюстрируется на рисунке 136.

pic_136.png
Рисунок 136. Связка проекции лучей линейного сканера в моменты времени t и t'

Связка проецирующих лучей 0-А*-А и 0'-В*-В, полученных линейным сканером в два различных момента времени t и t' можно считать достаточно «жесткой», если с достаточной точностью известны параметры взаимного положения и ориентации СК сканера, соответственно, в моменты времени t и t'.

Практический опыт подсказывает, что современные системы прямого геопозиционирования GPS/INS типа, такие как POS/AV 610 компании Applanix или AeroCONTROL 2 компании IGI удовлетворяют этому требованию в полной мере. Кроме прочего, в пользу линейных сканеров здесь работают два обстоятельства:

  1. малость интервала  simbol_37.pngt = t' – t; 
  2. тот факт, что нас интересует относительная ориентация СК 0XYZ и 0'X'Y'Z' друг относительно друга, а не их абсолютные положения и ориентация  в геодезическом пространстве. Первая выше второй на 1-2 порядка.

Продолжая обсуждение взаимных достоинств и недостатков кадровых и линейных цифровых аэрофотосъемочных систем, отметим, что вопрос результирующей геодезической точности должен быть признан ключевым при проведении анализа.

Высокая точность, безусловно, необходимый (хотя, быть может, и недостаточный) признак профессионального аэрофотоаппарата. Это замечание весьма существенно при обсуждении достоинств и недостатков различных концепций современного аэрогеодезического оборудования.

По не вполне понятным для нас причинам вопрос реальной геодезической точности того или иного типа или конкретной модели цифровой аэрофотосъемочной системы часто «выпадает из контекста» или рассматривается вскользь, в ряду прочего. Мы не собираемся повторять этой ошибки, а начнем с самой сути: какой подход, кадровый или линейный, обеспечивает достижение большей точности определения геодезических координат наземных объектов. Мы отвечаем на этот вопрос следующим образом: безусловно, кадровый, причем его превосходство носит принципиальный, если угодно, концептуальный характер.

Здесь уместно отметить, что категория геодезической точности считается, во многом, определяющей при классификации аэросъемочного оборудования на две большие группы: фотограмметрические средства и средства дистанционного зондирования. Считается, что первые позволяют по данным съемки определять координаты наземных объектов с некоторым гарантированным уровнем точности и достоверности. Для средств дистанционного зондирования, в отличие от фотограмметрических, вопрос о точности геопозиционирования данных и точности геометрических измерений является, хотя и существенным, но не главным. Во втором случае существенно более важным является качество цветопередачи, спектрального представления, изобразительность, возможность проведения специального вида дешифрирования и другие категории, не имеющие непосредственного отношения к геодезической точности. Конечно, такое деление, во многом условно и в наибольшей степени соответствует западному стилю, чем российскому. Тем не менее, для целей нашего исследования приведенное замечание существенно. Не следует забывать, что в случае UltraCAM-X, ADS-40, DMC мы имеем дело именно с фотограмметрическими средствами, а не средствами дистанционного зондирования.

В свете вышеизложенного, хотелось бы обратить внимание читателей на ту настойчивость, с которой сторонники линейных сканеров, в частности Leica, пропагандируют получаемое качество цветопередачи. Признавая важность этого вопроса, считаем необходимым отметить, что весь прошедший ХХ век аэрофотография и фотограмметрия с успехом решали все стоящие перед ними задачи с помощью панхроматических (черно-белых) аэроснимков. Цветные и спекторозональные пленки использовались для целей фотографического картографирования крайне редко, по причине своего низкого, в сравнении с панхроматическими пленками, разрешения. В случае же с современными линейными аэросъемочными системами – не будет преувеличением сказать, что высокое качество цветопередачи спектральной чувствительности каналов и ряд других  преимуществ линейных сканеров, в значительной степени, достигнуты в ущерб фотограмметрической точности прибора.

Кроме того, упомянутые выше «неоспоримые» преимущества линейных сканеров над кадровыми системами нуждаются в серьезном изучении. Критики кадровых систем указывают на следующие обстоятельства:

  • уже упомянутая выше более высокая чувствительность линейных CCD приемников и, соответственно, лучшее соотношение сигнал/шум в сравнении с матричными приемниками;  
  • кадровые системы обеспечивают «искусственное, ненатуральное» (термины критиков) цветовое покрытие аэрофотоснимка: используется Байеровская схема (Manual, 2004), при которой мозаично размещаются по полю кадра «зеленые», «синие» и «красные» пиксели с помощью спектральных оптических фильтров. Такая схема характерна для аэрофотосъемочных систем среднего класса.

В широкоформатных кадровых цифровых аэрофотоаппаратах  (Intergraph DMC, Vexel UltaCAM-D и UltaCAM-X), наряду с основным панхроматическим кадром высокого разрешения, формируются четыре «спектральных» (зеленый, синий, красный, ближний, инфракрасный) изображения. Естественно, поля зрения панхроматического и «цветовых» сенсоров совпадают, что позволяет «синтезировать» полноформатное цветное RGB или спектрозональное изображение. С математической точки зрения такая процедура ни что иное, как интерполяция, позволяющая искусственно «раскрасить» все пиксели изображения по фактически зафиксированной цветности соседнего пикселя (Байеровский метод) либо группы пикселей (метод разнесенных спектральных каналов). Критики усматривают в таких методах формирования цвета источник множества негативных моментов, в частности, возникновение эффекта бахромы (fringe) и других явлений, затрудняющих визуальный анализ аэрофотоснимков и проведение камерального дешифрирования.

Вместе с тем:

  1. В линейных сканерах тоже, как правило, используются «цветные» сенсоры с разрешением меньшим, чем у основного монохромного канала. Поэтому все сказанное выше о проблемах интерполяции цвета, в разной степени, справедливо и по отношению к линейным сканерам.  
  2. Естественность цветопередачи в линейных сканерах при внимательном рассмотрении также оказывается нарушенной. Если, например, линейки RGB размещены в непосредственной близости друг от друга (т.е. практически в одном месте), а линейка сенсора ближнего инфракрасного диапазона отстает от них на 10° (рис. 137).
  3. pic_137.png
    Рисунок 137. Формирование цветности линейным сканером

    При синтезе спектрозонального изображения будут использованы значения спектральных интенсивностей излучения, соответствующих различным углам визирования. Это неблагоприятное обстоятельство, особенно, для поверхностей с существенно недиффузной индикатрисой рассеяния (рис. 138).

    pic_138.png
    Рисунок 138. Формирование спектральных интенсивностей излучения при различных углах визирования линейного сканера

    За время, необходимое летательному аппарату для преодоления расстояния D, условия освещенности сцены могут измениться самым радикальным образом. При высоте H=1000 м и скорости V=50 м/с это время составит 4 с. С учетом этого обстоятельства коэффициент доверия к спектрозональным данным «линейного» типа еще более снижается.

    С учетом вышеизложенного, можно утверждать аппараты кадрового типа, гарантирующие одномоментность получения данных, как по панхроматическому, так и по всем спектральным (цветовым) каналам и принципиально без искажений, вызванных недиффузной индикатрисой рассеяния, представляются  заслуживающими большего доверия в вопросах достоверности цветопередачи.

  4. Не подтверждается, безусловно, и тезис о превосходстве линейных сканеров по радиометрическому разрешению и соотношению сигнал/шум. Мы  уже признавали наличие этого превосходства, но только по отношению к CCD приемникам, а не к приборам в целом. В целом ряде случаев удается достичь принципиального улучшения чувствительности оптическими, схемотехническими или, наконец, программными методами.

    Кроме того, не следует пренебрегать такой формой анализа как визуальный контроль данных различных источников, как это показано на рисунке 139.

    pic_139.jpg
    Рисунок 139. Сравнение результатов съемки различными системами: а) снимок сделан цифровым АФА Leica ADS-40 (разрешение 20 см); б) снимок сделан цифровым АФА Vexcel UltraCAM-D (разрешение 20 см); в) снимок сделан цифровым АФА Vexcel UltraCAM-D (разрешение 8 см. В данном случае, такое качество практически не достижимо для ADS-40)