High resolution optical satellite imagery

249 Pages·2012·8.927 MB·English

by  Ian J Dowman, Karsten Jacobsen, Gottfried Konecny, Rainer Sandau

High Resolution Optical
Satellite Imagery

High Resolution Optical
Satellite Imagery
Ian Dowman
Karsten Jacobsen
Gottfried Konecny
Rainer Sandau
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© 2012 I. Dowman, K. Jacobsen, G. Konecny and R. Sandau
ISBN 978-184995-046-6
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Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .x
The Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xii
List of Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
Chapter 1 Satellite Imaging Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 Defi nitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2.1 Resolution and pixel size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 Classifi cation of sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.3 Accuracy and precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Geolocation, georeferencing and geocoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.5 Digital elevation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.6 Orthoimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.7 Image products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Outline of principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.3.1 Satellite orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Geometry of a single image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Earth eff ects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.4 Acquisition of stereoscopic data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.5 Heights from stereoscopic data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.6 Determination of position and orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.7 Ground control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.8 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4 Optical imagery in context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1.5 Current systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
v
vi Contents
Chapter 2 History of Optical Sensors in Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
2.1 History of space fl ight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
2.2 CORONA programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
2.3 Soviet Kosmos satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.4 NASA’s Apollo programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.5 Earth observation missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
2.6 Planetary missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.7 Space Shuttle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.7.1 Th e German metric camera and the US large format camera . . . . . . . . . . . 36
2.7.2 MOMS-02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 East German and Russian photographic space technology . . . . . . . . . . . .38
2.9 Development of current high resolution cameras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Chapter 3 Principles of High Resolution Optical Sensors . . . . . . . . . . . . .43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
3.2 Topographic mapping concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.2 Across-track stereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.3 Along-track stereo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Important parameters for spaceborne mapping systems . . . . . . . . . . . . . .48
3.3.1 Spatial resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Radiometric aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Pointing accuracy and stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.4 Agility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4 Sensor optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
3.5 Focal plane module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
3.5.1 Mechanical function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.2 Th ermal function. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.3 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.6 Data recording and transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2 Sensor data rates and volumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.3 Data transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.6.4 Possible ways of reducing data volume and downlink rates . . . . . . . . . . . . . 66
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Chapter 4 Sensors with a GSD of greater than 1 m up to 16 m. . . . . . . . .75
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
4.2 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
Contents vii
4.3 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
4.3.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.2 SPOT range of sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 MOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.4 Japanese JERS and ASTER satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.5 ALOS PRISM and AVNIR-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.6 Indian programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.3.7 Agile satellites in the 1–15 m range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.8 Small satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4 Space photography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.4.1 CORONA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.2 European and US photography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.3 Soviet photography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
Chapter 5 Sensors with a GSD of 1 m or less . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
5.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
5.2 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
5.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2.2 IKONOS-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.3 QuickBird-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2.4 OrbView-3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.5 EROS B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.6 KOMPSAT-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.7 Resurs-DK1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.8 IRS Cartosat-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.9 WorldView-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2.10 WorldView-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.11 GeoEye-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.12 Announced systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Chapter 6 Calibration, Sensor Models and Orientation . . . . . . . . . . . . . .127
6.1 General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
6.2 Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .130
6.2.1 Radiometric calibration and image quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.2.2 Geometric calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3 Sensor models and orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
6.3.1 Images with constant view direction across orbit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.3.2 Images from agile satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.4 Approximate orientation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
6.4.1 Terrain-dependent RPC solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
6.4.2 3D affi ne transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.4.3 Direct linear transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
viii Contents
6.5 Comparison of orientation methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159
6.5.1 Issues in assessing accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.5.2 Results from tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.5.3 Accuracy of blocks of images. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
Chapter 7 Processing and Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.1 Introduction to matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
7.2 Preparation of images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .174
7.3 Generation of digital elevation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
7.3.1 Image matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
7.3.2 Analysis of height models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.4 Global digital elevation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
7.4.1 GTOPO30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .192
7.4.2 Shuttle Radar Topography Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
7.4.3 ASTER GDEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4.4 Assessment of ASTER GDEM and SRTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.4.5 Other DSMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.4.6 Comparison of global DEMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
7.5 Orthoimages and orthoimage mosaics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .198
7.5.1 Orthoimage geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
7.5.2 Resampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
7.5.3 Image processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.5.4 Generating stereo partners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7.5.5 Mosaicing orthoimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
7.6 Data fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .206
7.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.6.2 Fusion of digital elevation models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
7.6.3 Image fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.7 Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
Chapter 8 Conclusions and Future Developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
8.1.1 Status of sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
8.1.2 Processing and applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.1.3 Organisational and administrative issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8.2 Future developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .223
8.2.1 Future missions and sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
8.2.2 Small satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Contents ix
8.2.3 Coordinated missions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.2.4 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
8.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .226
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227