pobierz - Konferencja OTiG 2016

POZYSKANIE ZOBRAZOWAŃ
HIPERSPEKTRALNYCH Z
WYKORZYSTANIEM MAŁYCH BSP
Aleksandra SIMA,
D. Nuyts, P. Baeck, S. Livens,
J. Blommaert, S. Delalieux, B. Delauré
Flemish Institute for Technological Research – VITO NV, Belgium
VITO REMOTE SENSING
FLAMANDZKI INSTYTUT DO BADAN NAD TECHNOLOGIA
GLOBALNA SIEC
PARTNEROW
WSPOMAGANIE
DECYZJI
GEO PRODUKTY
I SERWISY
KOMPLEKSOWE
DORADZTWO
MISJE I
TECHNOLOGIA
SATELITARNA
JAKOSC DANYCH
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
GLOBALNA SIEC PARTNEROW
 Aktywnosc w 115 krajach
 Ponad 80 partnerow miedzynarodowych i w Belgii
 Operacyjne przetwarzanie danych: PROBA-V,
COPERNICUS Global Land Services, SPOT-VEGETATION,
APEX, etc.
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
3
ROZWIAZANIA TECHNOLOGICZNE
»
Od wymagan uzytkownikow do rozwiazan technologicznych
Satelitarne
PROBA-V, projekt misji i
instrumentu
Lotnicze
APEX - spectrometer
lotniczy
Stratosferyczny BSP
BSP
MEDUSA, kompaktowa,
ultra lekka kamera
COSI-cam, kompaktowa
kamera hiperspektralna
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
4
15 LAT DOSWIADCZENIA ZE ZOBRAZOWANIAMI HIPERSPEKTRALNYMI
Od roku 2002 ponad 80 obszarow pokrytych danymi obrazowymi
pozyskanymi przez instrumenty:









CASI-2 & CASI-550
CASI-3
SASI
ATM
AISA-Eagle
AHS-160
HyMAP
Hyspex
APEX
Wszystkie dane przetworzone i
opracowane przy uzyciu specjalnie
zaprojektowanego systemu.
MINIATURYZACJA KAMER HIPERSPEKTRALNYCH
2013
2012
MEMS
Fabry-Perot
Fabry-Perot
na szklanym
podlozu
Fabry-perot
bezposrednio
na matrycy
detektora
MEDUSA
2011
APEX
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
APEX
http://hyperspectral.vgt.vito.be/content/sensors
APEX to Szwajcarsko-Belgijski Projekt finansowany przez
ESA-PRODEX z dofinansowaniem od ESA.
» VNIR – 380-970nm – 114 kanalow spektralnych
(0.6-6.3nm)
» SWIR – 940-2500 nm – 199 kanalow spektralnych
(6,2-11nm)
» 1.75m @ 3500m AGL (2-5m @4-10km)
Kraje w ktorych APEX pozyskal dane:
http://apex.vgt.vito.be/content/new-data-requests
GLOWNE ZASTOSOWANIA DANYCH
» Roznorodnosc biologiczna
» Jakosc wody
» Rolnictwo precyzyjne
Kalmthoutse Heide, Belgia
APEX RGB
APEX: JAKOSC WODY
KARTOWANIE ZASIEGU ROSLIN INWAZYJNYCH
Calkowita zawartosc zawiesin (TSM)
w morzu Wattowym (wmg L-1)
9
© Friedrich
Alexander
University ErlangenNuremberg
MINIATURYZACJA KAMER HIPERSPEKTRALNYCH
2013
2012
MEMS
Fabry-Perot
Fabry-Perot
na szklanym
podlozu
Fabry-perot
bezposrednio
na matrycy
detektora
MEDUSA
2011
APEX
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
MEDUSA: ULTRA LEKKA – WYSOKOROZDZIELCZA KAMERA
Top level specifications
Koncepcja
SYSTEM
Model lotniczy
PEGASUS - PRODUKT
-
Focal length
330 mm
Mass
2,6 kg
Power consumption
< 40 W
Operational altitude
15 -18 km
Swath (@18 km)
3 km
Ground sampling
distance @18 km
30 cm
Spectral range
400-650 nm
Spectral channels
PAN
COLOUR
(RGB)
Image collection rate
0.7 fps
Realtime data
downlink (S-band)
20 Mbps
Direct georeferencing
functionality
H/W synchr.
INS
Image compression
JPEG2000
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
11
Focal plane size
11
10000 x
1200 (2 x)
MINIATURYZACJA KAMER HIPERSPEKTRALNYCH
2013
2012
MEMS
Fabry-Perot
Fabry-Perot
na szklanym
podlozu
Fabry-perot
bezposrednio
na matrycy
detektora
MEDUSA
2011
APEX
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
Kamera Rikola – test 2013
Zobrazowanie eksperymentalnej uprawy ziemniakow
MINIATURYZACJA KAMER HIPERSPEKTRALNYCH
2013
2012
MEMS
Fabry-Perot
Fabry-Perot
na szklanym
podlozu
Fabry-perot
bezposrednio
na matrycy
detektora
MEDUSA
2011
APEX
WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE
JAK POZYSKAC DANE HIPERSPECKTRALNE PRZY POMOCY SENSORA 2D?
Skanowanie
przestrzenne
spektralne
przestrzennospektralne
Migawka (Snapshot)
Koncept
Pushbroom
Zmienne zakresy
spectralne
przestrzennospektralne
Mozaika
Tiled
1 obraz
zawiera
spektrum 1
linii obrazu
obraz 2D w jednym
zakresie
spektralnym
obraz 2D gdzie linie
pozyskane sa w
roznych zakresach
spektralnych
Mozaika
pikseli, np.
4x4, 5x5,...
kafelki (tiles)
z 1 zakresem
spektralnym
Rozdzielczosc
przestrzenna
wysoka
wysoka
wysoka
niska
niska
Uwagi
Rekonstrukcja
obrazu trudna
dla BSP
Wymaga zmiany
zakresu
spektralnego
Wymaga
specjalistycznego
przetworzenia
danych
Wymaga
precyzyjnych
filtrow
Skomplikow
any system
optyczny
Struktura
danych
15
COSI CAM – KOMPAKTOWA KAMERA HIPERSPEKTRALNA
COSI CAM Specyfikacja @40m [@150]
Rozmiar obrazu
2048 x 1088
Pokrycie
40 m [150m ]
Rozdzielczosc
terenowa
4 cm [15cm]
Zakres spektralny
600-900 nm (72 zakr. spekt.)
470-900 nm (160 zakr.spekt.)
Rozdzielczosc
spektralna
5-10 nm
Zapis danych
Dysk wewnetrzny
Waga
Wymiary
500 g
6cm x 7cm x 11.6cm
LINIOWO ZMIENNY FILTR INTERFERENCYJNY
» Liniowy filtr interferencyjny
» Filtr o zmiennej grubosci umieszczony
bezposrednio na matrycy detektora
» Kazde 8 linii obrazu rejestruje dane w innym
zakresie spektralnym i pokrywa inny fragment
obrazowanego terenu
» Wymagany jest ruch kamery aby
zarejestrowac pelne spektrum dla
obrazowanego terenu
8 pikseli =
1 zakres
spektralny
OBRAZ ZRODLOWY ZAREJESTROWANY PRZEZ COSI CAM
600nm
700nm
800nm
900nm
18
Data acquired in collaboration with pcfruit, St. Truiden (B)
PRZETWARZANIE DANYCH
»
Dedykowany system przetwarzania danych
bazujacy na podstawach fotogrametrii I
widzenia komputerowego
Obraz zrodlowy
Odbicie spektralne
»
»
»
Dane GNSS i terenowe punkty kontrolne nie sa
wymagane, ale podnosza jakosc skalowania danych
I georeferencji
Korekcja radiometryczna I spektralna odgrywa
olbrzynia role w przetwarzaniu danych
Wymagane jest uzycie referenycjnych paneli
19
spektralnych
Wskazniki
Mapa dzialania
REKONSTRUKCJA OBRAZOW POZYSKANYCH W ROZNYCH ZAKRESACH SPEKTRALNYCH
20
WYSOKOROZDZIELCZE DANE HIPERSPEKTRALNE, PIKSEL=4CM
21
1m
PRODUKT DOSTARCZANY PRZEZ COSI CAM I SYSTEM PRZETWARZANIA DANYCH
» Produkt orto
» Rozdzielczosc
terenowa = 4cm
(@40m)
2m
22
NUMERYCZNY MODEL POKRYCIA TERENU
23
Data acquired in collaboration with pcfruit, St. Truiden (B)
MAPA WSKAZNIKOW WEGETACYJNYCH, NP. NDVI
1.0
0.5
24
0.0
POZYSKANE DANE
Dane pozyskane w 2015 i 2016 roku:
» Eksperymentalna uprawa truskawek,
» Pszenica ozima,
» Laki naturalne (rezerwat przyrody),
» Sady owocowe – jablonie i grusze
» Buraki cukrowe
25
POZYSKANIE DANYCH PRZY UZYCIU COSI CAM
Kompletny system dostosowany do potrzeb BSP
EKSPERYMENTALNA UPRAWA TRUSKAWEK (RGB = 801nm, 667nm, 604nm), PIKSEL =2CM
5m
27
Data acquired in collaboration with pcfruit, Sint-Truiden (B)
ZOBRAZOWANIE W KOLORACH NIERZECZYWISTYCH (RGB = 801nm, 667nm, 604nm)
COSI rozdz. terenowa = 2.0cm
0.5m
28
RGB rozdz. terenowa = 2.6cm
EKSPERYMENTALNA UPRAWA TRUSKAWEK – DANE SPEKTRALNE
Pudlo kartonowe
Wiory drewna
Truskawka ID1
Nex-6, 16mm
lens, GSD
= 0.8cm
Truskawka
ID2
Truskawka ID3
Gleba
M. Boonen, N. Gallace, S. Delalieux, A. Sima, B. Delauré and D. Bylemans, 2016.
Remote sensing as a useful tool in strawberry cultivation. 8 th International
Strawberry Symposium, ISS2016, 13-16 August 2016, Quebec City, Canada.
29
PSZENICA OZIMA (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm), PIKSEL = 4CM
2m
Data acquired in collaboration with CRA-W, Gembloux (B)
PSZENICA OZIMA- NDVI
Data acquired in collaboration with CRA-W, Gembloux (B)
31
Publikacja w przygotowaniu…
SAD – GRUSZE (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm), PIKSEL=4cm
Detekcja zarazy ogniowej
32
SAD – GRUSZE (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm) PIKSEL=4cm
1m
4m
33
Data acquired in collaboration with pcfruit, Kortenaken (B)
SAD – GRUSZE – NUMERYCZNY MODEL POKRYCIA TERENU
Zordzielczosc
terenowa = 4cm
34
Data acquired in collaboration with pcfruit, Kortenaken (B)
BURAKI CUKROWE – DETEKCJA MACZNIAKA PRAWDZIWEGO, PIKSEL =4CM
3m
35
DETEKCJA METEORYTOW, (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm) PIKSEL=3cm
2m
36
WYZWANIA
»
Eliminacja/ograniczenie wplywu zmian oswietlenia
obrazowanego obiektu
»
Eliminacja/ograniczenie wpywu cieni (biektow
terenowych, chmur itd.) na pamiary spektralne na
zdjeciu
»
Eliminacja/ograniczenie wplywu kata nachylenia
powierzchni obrazowanego obiektu w stosunku do
Slonca na rejestrowane spektrum – korekcja
dwukierunkowej funkcji rozkładu odbicia (BRDF Bidirectional Reflectance Distribution Function)
»
Eliminacja koniecznosci uzywania paneli
referencyjnych
»
…
37
PODSUMOWANIE
» Technologia hiperspektralna jest juz dostepna dla BSP
» Wybor kamery hiperspektralnej odpowiedniej dla
potrzeb projektu wymaga znajomosci techniki
pozyskania danych
» Analiza i interpretacja danych wymaga
specjalistycznej wiedzy
COSI, GSD = 2cm
» COSI Cam zaprojektowana, zbudowana i testowana
przez VITO zostala wprowadzona na rynek przez
firme Cubert Gmbh http://cubert.org/product/uhd-137-butterfly-nir/
Nex-6, 16mm lens, GSD = 0.8cm
38
HTTP://CUBERT.ORG/PRODUCT/UHD-137-BUTTERFLY-NIR/
nowy zakres spektralny: 450-1000nm
160 kanalow
39
PUBLIKACJE NA TEMAT COSI CAM
»
»
»
»
M. Boonen, N. Gallace, S. Delalieux, A. Sima, B. Delauré and D. Bylemans, 2016. Remote
sensing as a useful tool in strawberry cultivation. 8th International Strawberry Symposium,
ISS2016, 13-16 August 2016, Quebec City, Canada.
P. Baeck, J. Blommaert, S. Delalieux, B. Delauré, S. Livens, A. Sima, M. Boonen , G.
Jacqueminb and J.P. Goffart, 2016, High Resolution Vegetation Mapping with a Novel
Compact Hyperspectral Camera System. Proceedings of the 13th ICPA, July 31 –August 4,
2016, St. Louis, USA
Sima, A. A., Baeck, P., Nuyts, D., Delalieux, S., Livens, S., Blommaert, J., Delauré, B., and
Boonen, M., 2016: Compact Hyperspectral Imaging System (Cosi) For Small Remotely
Piloted Aircraft Systems (RPAS) – System Overview and First Performance Evaluation
Results, Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLI-B1, 1157-1164,
doi:10.5194/isprs-archives-XLI-B1-1157-2016.
Serruys, P., Sima, A., Livens, S., Delauré, B., 2014. Linear Variable Filters – a Camera System
Requirement Analysis for Hyperspectral Imaging Sensors Onboard Small Remotely Piloted
Aircraft Systems, in: 6th Workshop on Hyperspectral Image and Signal Processing: Evolution in
Remote Sensing, 24-27 June 2014, Lausanne, Switzerland. Lausanne, Switzerland, pp. 1–4.
Pytania?
40
[email protected]