High Resolution Optical Satellite Imagery. Ian Dowman ... [Et Al.]

249 Pages·2012·6.519 MB·English

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

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