Спосіб розпізнавання об’єктів за зональними інфрачервоними аерокосмічними зображеннями

Реферат: UA 115368 C2 (21) Номер заявки: a 2015 12605 (22) Дата подання заявки: 21.12.2015 (24) Дата, з якої є чинними 25.10.2017 UA 115368 C2 Спосіб розпізнавання об'єктів за зональними інфрачервоними аерокосмічними зображеннями на основі залежності радіаційної температури в кожному спектральному каналі від коефіцієнтів теплового випромінювання досліджуваного об'єкта належить до напрямку обробки багатоспектральних інфрачервоних зображень, отриманих за допомогою систем дистанційного зондування Землі. Спосіб дозволяє за допомогою залучення даних, експериментально одержаних для застосованої знімальної системи, нівелювати невизначеність, яка перешкоджає одночасному відновленню значень фізичної температури досліджуваного об'єкта та його коефіцієнта теплового випромінювання із попередньо відкаліброваних та скоригованих даних спектральної щільності енергетичної яскравості в кожному з спектральних діапазонів. Застосування цього способу не має обмежень по кількості каналів, але необхідно, щоб їх було більше одного. UA 115368 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до способів визначення фізичних параметрів досліджуваних об'єктів, а саме температури та коефіцієнтів теплового випромінювання та дешифрування зображень, отриманих у дальньому інфрачервоному діапазоні. Складність однозначного відновлення значень температури і коефіцієнтів теплового випромінювання за даними аерокосмічного знімання в дальньому інфрачервоному діапазоні обумовлена тим, що одночасне визначення цих параметрів за законом теплового випромінювання Планка можливе лише за умови наявності додаткової інформації, яка визначає залежність між ними або від інших характеристик об'єктів знімання, Існують способи визначення температури об'єктів, які застосовують рівняння радіаційного переносу при зніманні в єдиному спектральному діапазоні [1,2]. Такі способи потребують апріорного знання значення коефіцієнта теплового випромінювання, а також передбачають залучення складних моделей атмосфери, таких як MODTRAN. Недоліком цих способів є неможливість безпосереднього відновлення коефіцієнта теплового випромінювання за даними знімання і необхідність його попереднього апріорного встановлення для кожного піксела зображення, що потребує попереднього дослідження об'єкта та і, відповідно, без цього робить неможливим розпізнавання об'єкта за матеріалами інфрачервоного знімання. Відомий спосіб визначення температури об'єктів [3], який ґрунтується на моделі випромінювання "сірого тіла", для якого значення коефіцієнтів теплового випромінювання однакові у всіх спектральних діапазонах. Застосування цього способу погребує інфрачервоних зображень в принаймні двох спектральних діапазонах. Недоліком цього способу є значні похибки в разі суттєво змінної залежності коефіцієнта теплового випромінювання ε від довжини хвилі λ, що є характерним для багатьох об'єктів інфрачервоного знімання. Відомий спосіб вимірювання поверхневої температури об'єкта за його інфрачервоним випромінюванням і поверхневим розподілом коефіцієнта відбиття, одержуваним за додатковим зображенням об'єкта без залучення попередніх відомостей про його властивості [4]. Недоліком цього способу є необхідність в додатковому вимірюванні коефіцієнта відбиття об'єкта, що само по собі є складною проблемою. Існує спосіб відновлення значення коефіцієнта теплового випромінювання за функціональною залежністю від вегетаційного індексу NDV1 [5], при застосуванні якого виконується відділення рослинного покриву від відкритих ґрунтів та штучних поверхонь за граничними значеннями індексу. За допомогою цього способу можливо з високою точністю виміряти температуру рослинного покриву. Недоліком даного способу є необхідність апріорного знання коефіцієнтів теплового випромінювання всіх інших поверхонь, відмінних від ґрунту та рослинного покриву, оскільки даний метод для цих поверхонь може давати значення коефіцієнта теплового випромінювання із великими похибками. Відомий спосіб розпізнавання об'єкта за зональними інфрачервоними зображеннями аналог - патент України №23143 А [6], який ґрунтується на апроксимації залежності ε(λ) експонентою. Недоліком даного способу є необхідність щонайменше трьох спектральних діапазонів знімання об'єкта для визначення його істинної температури. Близьким технічним рішенням до даного способу - аналог - патент Китаю на винахід CN101295022 [7] є спосіб одночасного відновлення значень температури та коефіцієнта теплового випромінювання за даними інфрачервоного космічного знімання супутникової системи ASTER, яка формує теплові зображення в п'ятьох діапазонах водночас. Завдяки попередньо визначеній степеневій залежності між коефіцієнтами теплового випромінювання та значеннями спектральної густини енергетичної яскравості в кожному діапазоні даний метод дозволяє визначати нормовані коефіцієнти теплового випромінювання та фізичну температуру і за ними розпізнавати об'єкти. Недоліком даного способу є те, що він адаптований тільки до знімальної системи ASTER, і його застосування стосовно інших систем вимагає значних уточнень або взагалі неможливе. Найбільш близьким до заявленого способу є спосіб розпізнавання об'єкта за зональними інфрачервоними аерознімками - прототип - Патент України на винахід №32212 А [8] за допомогою якого безпосередньо за результатами вимірювань зональних інтенсивностей 14 випромінювання визначають аналітичним шляхом значення істинної температури і коефіцієнтів теплового випромінювання об'єкта в обох спектральних діапазонах на основі стабільності відношень зональних коефіцієнтів теплового випромінювання для антропогенних об'єктів, за 1 UA 115368 C2 5 10 15 20 25 рахунок чого досягнуто зменшення необхідної кількості спектральних діапазонів реєстрації до двох, що значно послабило конструктивні вимоги до знімальної системи. Недоліком найближчого аналогу є те, що знімальна система потребує близькості спектральних діапазонів одне до одного та встановлює залежність між коефіцієнтами теплового випромінювання у відповідних діапазонах як лінійну. Задачею запропонованого способу є підвищення імовірності розпізнавання об'єктів шляхом визначення функціональної залежності між еквівалентними характеристиками окремих каналів знімальної системи та усього діапазону знімання, які пов'язуються із відповідними коефіцієнтами теплового випромінювання. Задача одночасного відновлення значення фізичної температури поверхні та її коефіцієнта теплового випромінювання лише за даними густини енергетичної яскравості через наявність одразу двох невідомих показників є некоректною через утворення додаткового ступеня свободи у рівнянні розрахунку. Таким чином, даний спосіб дозволяє визначати радіаційну температуру поверхні та її зональні коефіцієнти теплового випромінювання шляхом застосування регресійної залежності, при якій регресант представлений ефективною довжиною хвилі для усього спектрального діапазону 0 вимірювання, що враховує широкосмуговий коефіцієнт теплового випромінювання, а регресор - ефективні довжини хвиль для кожного окремого спектрального діапазону, які, відповідно, враховують зональні коефіцієнти теплового випромінювання. Дана регресійна залежність встановлюється експериментально та встановлюється для кожного сенсора дальнього теплового випромінювання окремо, шляхом обробки даних аерокосмічного знімання та виконання польових термометричних вимірювань одночасно із отриманням дистанційних даних. Нижче описано запропонований спосіб на прикладі обробки інфрачервоних зображень об'єктів від сенсора TIRS супутникової системи Landsat-8. Першим етапом способу, що пропонується, є розрахунок за даними аерокосмічного знімання радіаційних температур об'єкта для кожного спектрального діапазону: Ti  K1i , (1)  K 2i  ln   L  1   i  де Ti - радіаційна температура в i-му робочому спектральному діапазоні знімальної 30 системи; K1i та K 2i - апаратні константи, які експериментально встановлюються для кожної інфрачервоної знімальної системи в кожному робочому діапазоні окремо. На основі розрахованих радіаційних температур виконується розрахунок значень величини регресора R :  c (T  T )  R  3 exp 2 2 1  , (2)  12T1T2  hc . де c2   1,439 102 м К - друга константа радіаційного переносу, 1 та 2 - ефективні k 35 значення довжини хвилі кожного із спектральних діапазонів. Регресант F пов'язаний із значенням широкосмугового випромінювання  0 наступною залежністю: коефіцієнта теплового F   ln  00 . (3) Маючи встановлене за регресійною залежністю значення регресанта F, розраховується величина  0 . 40 45 Сама регресійна залежність F (R ) встановлюється для кожного сенсора експериментально, шляхом розрахунку температур поверхонь еталонних тестових ділянок пірометричним способом одночасно із отриманням інфрачервоних зображень, після чого виконується обробка цих даних та розрахунок температур об'єктів вимірювань. При цьому для розрахунку температур за інфрачервоними зображеннями для еталонних ділянок встановлюється показник коефіцієнта теплового випромінювання, визначений пірометричним способом в ході польових досліджень. Така регресійна залежність не є універсальною і будується для кожної сенсорної системи окремо. На фіг. 1 наведено приклад побудови регресії F (R ) для інфрачервоного 2 UA 115368 C2 5 сенсора TIRS супутникової системи Landsat-8. Чутливості робочих спектральних діапазонів сенсора TIRS показано на фіг. 2. Залежність значень радіаційної температури, отриманої у двох спектральних діапазонах, розташованих близько один до одного, від значення широкосмугового коефіцієнта теплового випромінювання можна представити наступним чином:  1  2 2 ln  0  3 ln T1T2 . (4) (T1  T2 )12 Зональні коефіцієнти теплового випромінювання розраховуються як  i   0  i  0 , (5)  де  i - різниця між ефективним значенням довжини хвилі усієї ділянки спектра, в якій 10 виконується знімання, та ефективними значенням довжини хвилі в i-му каналі. Виходячи з Вінівської апроксимації закону Планка, виконується розрахунок значення фізичної температури T досліджуваного об'єкта через його радіаційну температуру [9]: 1 1 i   ln  i . (6) T Ti c2 15 20 25 30 35 40 45 50 Далі за значеннями зональних коефіцієнтів теплового випромінювання об'єкта та значенням реальної температури виконується його розпізнавання - визначення матеріалу і стану - шляхом їх співставлення із існуючими базами даних випромінювальних характеристик об'єктів в інфрачервоному спектральному діапазоні. На фіг. 3 представлено послідовність дій, які необхідно виконати для розпізнавання об'єктів запропонованим способом. Для двох зображень об'єкта різних інфрачервоних діапазонів 1 здійснюється радіометричне калібрування, коригування впливу атмосфери на інфрачервоне випромінювання та розрахунок значення спектральної густини енергетичної яскравості на апертурі сенсора 2, на основі якої за формулою Планка розраховуються значення радіаційної температури у кожному робочому спектральному діапазоні знімальної системи 3. На основі розрахованих радіаційних температур за формулою (2) обчислюється показник регресора 4, за яким на основі експериментально отриманої регресійної моделі для даної знімальної системи 5 із співвідношення (4) визначається показник широкосмугового коефіцієнта теплового випромінювання 6, а за ним - із залученням значень ефективних довжин хвиль кожного із спектральних діапазонів знімальної системи за формулою (5) розраховуються зональні коефіцієнти теплового випромінювання 8. За розрахованими зональними коефіцієнтами теплового випромінювання за допомогою бази даних 7 ідентифікується матеріал досліджуваного об'єкта. Після цього за формулою (6) обчислюється фізична температура об'єкта 9 та на основі всіх отриманих коефіцієнтів теплового випромінювання та температури об'єкта виконується його розпізнавання шляхом порівняння отриманих коефіцієнтів теплового випромінювання та визначення співпадаючих із них в існуючих базах даних 10 випромінювальних характеристик об'єктів в інфрачервоному спектральному діапазоні. Отже, описаний спосіб представляє послідовність дій та перелік необхідних даних для розрахунку зональних коефіцієнтів теплового випромінювання та фізичної температури з метою ідентифікації матеріалу і стану об'єкта дослідження. Також описаний спосіб дозволяє розв'язати взаємну невизначеність фізичної температури та зональних коефіцієнтів теплового випромінювання при аналізі зональних інфрачервоних аерокосмічних зображень. Експериментально отримана регресійна залежність фіг. 1 актуальна для сенсора дальнього інфрачервоного випромінювання TIRS супутникової системи Landsat-8, для інших інфрачервоних знімальних систем має визначатися інша аналогічна залежність. Джерела інформації: 1. Schlagheck J.G. Infrared inspection system and method employing emissivity indications / United States patent No 5,294,198,- March 15, 1994. 2. Liu S., Zhang F., Haijun S., Wang Q., Yi H., Zhao S. Environmental satellite 1-based surface temperature single-window inversion method / China patent No CN102103203.- 22.06.2011. 3. Liebmann F.E. Infrared target temperature correction system and method / United States patent No 8,177,421.- May 15, 2012. 4. Алексеев Д.В. Пирометрический способ измерения распределения температуры на поверхности объекта / Патент Российской Федерации № 2515086 Сl. - 19.11.2012. 3 UA 115368 C2 5 10 5. Lin S., Huiyong Y., Tao G. Single channel method surface temperature retrieval method supported by satellite remote sensing product / China patent No CN103902839.- 02.07.2014. 6. Фроленко М.В., Станкевич С.А. Спосіб розпізнавання об'єкта за зональними інфрачервоними аерознімками / Патент України на винахід №23143 А.-30.06.1998. 7. Zhouqing В., Tang Н., Мао К., Wang X., Su S. Method for ground surface temperature and emissivity inversion by remote sensing data ASTER / China patent No CN 101295022. 29.08.2008. 8. Станкевич С. А. Спосіб розпізнавання об'єкта за зональними інфрачервоними аерознімками / Патент України на винахід № 32212 А. - 15.12.2000. 9. Radiometric Temperature Measurements Fundamentals / Z.M. Zhang, B.K. Tsai, G. Machin (Eds). Amsterdam: Academic Press, 2010. - 356 p. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб розпізнавання об'єктів за зональними інфрачервоними аерокосмічними зображеннями, який включає сприймання інфрачервоного випромінювання об'єкта більш ніж в двох інфрачервоних спектральних діапазонах з різними значеннями ефективної довжини хвилі та розрахунок значень істинної температури об'єкта, зональних коефіцієнтів теплового випромінювання в усіх спектральних діапазонах на основі системи рівнянь радіаційного переносу та розпізнавання матеріалу і стану об'єкта, який відрізняється тим, що зональні коефіцієнти теплового випромінювання досліджуваного об'єкта визначають за експериментально встановленою для кожного інфрачервоного сенсора регресійною залежністю від радіаційних температур в робочих спектральних діапазонах, а істинну температуру об'єкта розраховують за радіаційними температурами та зональними коефіцієнтами теплового випромінювання. 4 UA 115368 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5