Алгоритмы высокоточного структурного восстановления и формирования цветосинтезированных изображений по данным от многоматричных сканеров

В современных российских спутниковых системах ДЗЗ высокого пространственного разрешения («Ресурс-ДК» №1, «Ресурс-П» №1 и др.) для спектрозональной съемки в фокальной плоскости объектива размещаются несколько наборов ПЗС-матриц, каждый из которых получает данные в своем узком спектральном или панхроматическом диапазоне. Использование набора ПЗС-матриц, размещенных в шахматном порядке с небольшими перекрытиями, позволяет многократно повысить суммарную полосу захвата съемки по отношению к полосе захвата одной ПЗС-матрицы.
В результате съемки каждая матрица формирует изображение, так называемый скан. Поскольку ПЗС-матрицы смещены в кадровом направлении, они ведут съемку под разными углами, и один и тот же объект попадает в соседние сканы в разное время (для приведенных спутников интервал составляет до 0,2 с). За это время изменяется угловое и пространственное положение спутника, происходит смещение подстилающей поверхности из-за вращения Земли. Рельеф местности приводит к параллактическим искажениям. В результате смещение общих точек на соседних сканах изменяется по сложному закону. В еще большей степени сказанное относится к изображениям разных спектральных диапазонов, для которых временной интервал съемки может достигать нескольких секунд. При этом появляется дополнительный искажающий фактор – изменение сцены, в первую очередь за счет движения транспортных средств.
В докладе рассматриваются алгоритмы получения непрерывных многозональных снимков по данным многоматричных сканеров. Для этого на первом этапе в каждом спектральном диапазоне выполняется «сшивка» сканов в единое изображение. По характеристикам оно эквивалентно снятому датчиком с одной ПЗС-линейкой, перекрывающей совокупную полосу обзора ПЗС-матриц.
Если рассогласование геодезических координат одноименных объектов на сканах не превышает в эквиваленте 0,3 пикселя, предлагается использовать автоматический алгоритм «сшивки» на основе функций геопривязки. Приводятся функции геометрического соответствия сканов и структурно восстановленного изображения. Для высокоскоростной координатной обработки эти функции аппроксимируются. Рассматриваются математические модели обработки снимков равнинной территории и районов с существенными перепадами высот (с привлечением ЦМР). Автоматический алгоритм «сшивки» используется при обработке снимков от КА «Ресурс-П №1» после выполнения геометрической калибровки аппаратуры спутника по наземным полигонам и обеспечивает точность «сшивки» не хуже 0,5 пикселя.
Когда точность определения элементов внутреннего ориентирования съемочной аппаратуры не позволяет точно совместить сканы по геопривязке, предлагается использовать регрессионный алгоритм «сшивки» на основе общих точек, найденных в областях перекрытия сканов при помощи корреляционного анализа. В докладе рассматриваются искажающие факторы, влияющие на геометрическое соответствие сканов и структурно восстановленного изображения, и предлагается математическая модель структурного восстановления, учитывающая эти факторы.
При создании цветосинтезированного изображения решаются задачи геометрического совмещения разнозональных снимков и формирования каналов результирующего кадра (в т.ч. «паншарпинг»). В процессе геометрического совмещения один из снимков выбирается базовым и остальные трансформируются в его систему координат. Трансформирование выполняется на основе геопривязки, остаточные рассогласования устраняются с использованием триангуляционной модели по общим точкам, найденным при помощи корреляционного анализа.
Рассмотренные алгоритмы структурного восстановления и формирования цветосинтезированных изображений реализованы в программных комплексах получения выходных информационных продуктов уровней обработки 1–2 от КА «Ресурс-ДК» №1, «Ресурс-П» №1, «Канопус-В» №1, эксплуатирующихся в Научном центре оперативного мониторинга Земли (г. Москва).