Hintergrund der Erfindung
Anwendungsgebiet der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Luftfahrzeug-
Vorrichtung zum Photographieren eines ausgewählten Stücks
Erdoberfläche, um Daten von Bodenbildern zum Bestimmen der
Form und der Höhe des Landes bereitzustellen.
Beschreibung der zugehörigen Technik:
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Luftphotographien sind umfassend zum Bestimmen der Form und
Höhe eines ausgewählten Stückes Land verwendet worden.
Allgemein werden Luftphotographien von überlappenden
Gebietsabschnitten eines ausgewählten Stückes Land aufgenommen,
wodurch eine Reihe latenter Bilder geschaffen wird, die in
regelmäßigen Intervallen auf einem Film aufgenommen werden.
Der Film wird entwickelt und die entwickelten Bilder werden
gedruckt.
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Alternativ wird ein Luftfahrzeug-Abtaster-und-Linien-Sensor
verwendet, um erforderliche Landbilder in der Form digitaler
Daten bereitzustellen. Jedes der Reihe der so aufgenommenen
Bilder wird jedoch durch Sammeln von Bildabschnitten
gebildet, die von Lichtstrahlen aufgezeichnet werden, die in
verschiedenen Richtungen reflektiert werden, und dadurch ist
eine solche Sammlung von Bildabschnitten nicht
kontinuierlich. Zusätzlich zu diesem Problem variiert die Bildqualität
mit der Lichtempfindlichkeit des Films, den Entwicklungs- und
Druckbedingungen und anderen Faktoren.
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Niemand kann vor dem Entwickeln angeben, wie das Bild aussieht,
und daher müssen, wenn für Bilder gefunden wird, daß
sie nach dem Entwickeln beschädigt oder nicht verwendbar
sind, dieselben Bilder erneut aufgenommen werden.
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Um die Form und Höhe eines ausgewählten Stückes Land anhand
von Luftphotographien zu bestimmen, müssen drei
Koordinatenpunkte, X&sub0;, Y&sub0; und Z&sub0;, der augenblicklichen Position der
Luftfahrzeug-Kamera und drei Neigungen um drei Koordinatenachsen
ω, φ und κ analytisch unter Verwendung bekannter Punkte
Referenzpunkte) in dem Koordinatensystem bestimmt werden. Viel
Arbeit ist erforderlich, um die Referenzpunkte in dem
Koordinatensystem aufzufinden.
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Um solche Luftphographier- und -analysearbeit zu
automatisieren, ist es erforderlich, den entwickelten Film für eine
Digitalisierung von analog zu digital umzuwandeln.
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Die DE41 37 645A beschreibt eine
Luftfahrzeug-Photographiervorrichtung, die einen Detektormechanismus aufweist, der für
eine Aufnahme von Erdbodenstreifen quer zu der Richtung des
Fluges geeignet ist, wobei die Richtung der Sicht um eine
Achse senkrecht zu der Richtung des Fluges durch ein
bewegliches opto-mechanisches Ablenkelement variiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung zielt auf das kontinuierliche
Photographieren eines ausgewählten Stückes Land durch eine
dreilinige Luftfahrzeug-Sensorkamera und auf eine Herstellung
einer Aufzeichnung von Daten von Landbildern in der Form
digitaler Daten unmittelbar von den so aufgenommenen
Luftphotographien. Die vorliegende Erfindung zielt auch auf das
Bewirken einer Rückkopplungssteuerung der Lage der
Luftfahrzeug-Kamera unter Verwendung von Lagedaten, die von einem
Kreisel bereitgesellt werden, der der dreilinigen
Sensorkamera zugeordnet ist, wodurch die Kamera so eingestellt wird,
daß ihre optische Achse zu allen Zeiten vertikal sein kann,
so daß gewährleistet wird, daß störungsfreie Bilder bereitgestellt
werden können. Zuletzt zielt die vorliegende Erfindung
sämtlich auf die Herstellung einer Aufzeichnung der
Lagedaten, die von dem Kreisel bereitgestellt werden, und der
augenblicklichen Positionsdaten, die von einem GPS
bereitgestellt werden, zusätzlich zu der Aufzeichnung von
Landbilddaten, die in der Form digitaler Daten aufgezeichnet
werden, wodurch es ermöglicht wird, eine erforderliche
Korrektur später unter Verwendung geeigneter Software
vorzunehmen.
Kurzdarstellung der Erfindung
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Eine Luftfahrzeug-Photographiervorrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert.
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Die dreilinige Luftfahrzeug-Sensorkamera wird zum Aufnehmen
von Bilder eines ausgewählten Stückes Land verwendet.
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Der Kreisel ist in dem Gehäuse der dreilinigen Sensorkamera
angebracht und wird verwendet zum Bereitstellen von Daten der
Lage der Kamera während eines Photographierens.
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Das GPS wird zum Bestimmen der augenblicklichen
Positionsdaten der Kamera während eines Photographierens in dem
dreidimensionalen Raum benutzt.
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Der Stabilisator arbeitet zum Steuern der Lage der Kamera, um
ihre optische Achse so einzustellen, daß sie zu allen Zeiten
vertikal ist, und zur selben Zeit zum Absorbieren der
Vibration des Luftfahrzeugs.
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Die Datenverarbeitungseinheit wird verwendet zum Verarbeiten
der Lagedaten von dem Kreisel und der Positionsdaten von dem
GPS und zum Ausgeben von Signalen zum Steuern des
Stabilisators.
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Die Datenaufzeichnungseinrichtung wird verwendet zum
Aufzeichnen der Landbilddaten von der Kamera, der Lagedaten von
dem Kreisel und der Positionsdaten von dem GPS, und zwar alle
zusammen.
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Die Bildanzeige wird verwendet zum Zeigen der Landbilddaten
von der Kamera.
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Der Datenanalysator wird verwendet zum Umwandeln der
Landbilddaten von der Kamera in die Landbilddaten, die in Bezug
auf feste Koordinaten gegeben sind, auf der Basis der
Landbilddaten, der Lagedaten und der Positionsdaten, die sämtlich
von der Datenaufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet werden,
und zum Ausgeben der so umgewandelten Landbilddaten.
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Bei dieser Anordnung können die augenblickliche Position der
dreilinigen Sensorkamera (X&sub0;, Y&sub0; und Z&sub0;) und die Neigungen der
Kamera um drei Koordinatenachsen (ω, φ und κ) für jede Minute
der Zeit bestimmt werden, d. h., als eine Funktion der Zeit,
so daß die Arbeit des Referenzpunktfindens unnötig wird oder
solche Arbeit auf ein mögliches Minimum vermindert wird. Auch
die Stereoanpassung kann unter Verwendung eines Computers
durchgeführt werden. Diese können technische Innovationen
schaffen.
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Das herkömmliche Stereoanoassen bestimmt eine
dreidimensionale Koordinate auf einem ausgewählten Stück Land durch
Bestimmen der Kreuzung von zwei Lichtstrahlen, die unter
verschiedenen Winkeln projiziart werden. Demgegenüber verwendet
das dreilinige Sensorsystem, das bei der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird, drei verschiedene Lichtstrahlen, die
jeweils vertikal, schräg nach vorne und schräg nach hinten
projiziert werden und es rat daher eine ausreichende
Redundanz, um eine erforderliche Fehlerprüfung zu gestatten, und
demgemäß wird die Genauigkeit, mit der die Form und Höhe
eines Stückes Land bestimmt werden kann, verbessert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können
anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform verstanden werden, die in den beigefügten
Zeichnungen gezeigt ist:
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Fig. 1 ist eine Blockdiagramm einer
Luftfahrzeug-Photographiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 zeigt, wie die dreilinige Luftfahrzeug-Sensorkamera
arbeitet;
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Fig. 3 zeigt, wie das GPS die augenblickliche Position des
Luftfahrzeugs bestimmt;
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Fig. 4 zeigt den Stabilisator und zugehörige Steuerung;
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Fig. 5 zeigt, wie die dreilinige Sensorkamera ein Bild eines
ausgewählten Stückes Land aufnimmt, wenn das
Luftfahrzeug auf dem geeigneten Kurs ist, wobei seine
Lage ideal gehalten wird;
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Fig. 6 zeigt, wie die dreilinige Sensorkamera ein Bild eines
ausgewählten Stückes Land aufnimmt, wenn das
Luftfahrzeug rollt;
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Fig. 7 zeigt, wie die dreilinige Sensorkamera ein Bild eines
ausgewählten Stückes Land aufnimmt, wenn das
Luftfahrzeug nickt;
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Fig. 8 zeigt, wie die dreilinige Sensorkamera ein Bild eines
ausgewählten Stückes Land aufnimmt, wenn das
Luftfahrzeug giert; und
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Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, gemäß dem die
Datenverarbeitungseinheit das Verarbeiten von Daten bewirkt.
Beste Art, die Erfindung in die Praxis umzusetzen
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine
Luftfahrzeug-Photographiervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie folgt beschrieben.
Es wird besonders auf Fig. 1 Bezug genommen - sie verwendet
eine dreilinige Sensorkamera 1, die drei CCD-Liniensensoren
1a, 1b und 1c aufweist, die parallel angeordnet sind, wobei
jeder ein Bild eines ausgewählten Stückes Land unter einem
verschiedenen Winkel aufnimmt und das so aufgenommene
Landbild für eine Übersendung der digitalen Landbilddaten zu
einer zugehörigen Datenverarbeitungseinheit 5 von analog zu
digital umwandelt.
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Ein Kreisel 2 ist an dem Gehäuse der dreilinigen Sensorkamera
1 befestigt und bestimmt so die Lage der Kamera im Hinblick
auf die Neigungen um drei Koordinatenachsen (Rollwinkel ω,
Nickwinkel φ und Gierwinkel κ).
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Ein Global-Positioniersystem (abgekürzt als "GPS") 3 spricht
auf elektromagnetische Wellen von ausgewählten, künstlichen
Satelliten zum Bestimmen der augenblicklichen Position des
empfangenden Objekts (Luftfahrzeug oder Schiff) in dem
dreidimensionalen Raum an.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Luftfahrzeug-GPS zum
Bestimmen der augenblicklichen Position der dreilinigen Sensorkamera
1 (Xo, Y&sub0;, Z&sub0;) benutzt, während in dem
dreidimensionalen Raum photographiert wird.
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Fig. 2 veranschaulicht, wie das dreilinige Sensorsystem, das
bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, arbeitet.
Wie anhand von Fig. 2 zu sehen ist, werden drei verschiedene
entsprechende Punkte (xi, yi: i = 1, 2 oder 3) jeweils auf
drei digitalen Landbildern ausgebildet.
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Die augenblickliche Sensorposition ist gegeben durch (X0i, Y0i,
Z0i), und die verschiedenen Neigungen sind gegeben durch (ωi,
φi und κi)
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Einer der entsprechenden Punkte (x, y) ist durch die
folgenden Gleichungen gegeben:
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wobei f für die Brennweite steht.
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Diese Gleichungen können wie folgt umgewandelt werden:
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ai, ..... a9 sind gegeben durch die folgenden Drehmatrizen.
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+d Abstand von der Mitte zu dem schräg rückwärtigen
Sensor
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wobei u = 0 Abstand von der Mitte zu dem vertikalen Sensor
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- d Abstand von der Mitte zu dem schräg vorwärtigen
Sensor
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d: Abstand von der Mitte des angeordneten Sensors
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Die obigen zwei Gleichungen werden für jeden entsprechenden
Punkt gehalten und die dreidimensionalen Koordinaten (X, Y,
Z) in der Landoberfläche können aus sechs Gleichungen
insgesamt bestimmt werden, und zwar gemäß dem Verfahren der
kleinsten Quadrate.
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Fig. 3 zeigt, wie das GPS beim Bestimmen der
augenblicklichen Position der Kamera arbeitet.
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Wie anhand von Fig. 3 zu sehen ist, empfängt das
Luftfahrzeug oder Schiff A, das mit einem GPS ausgestattet ist,
Signale von vier künstlichen Satelliten 5, die unter denjenigen
ausgewählt sind, die im Raum fliegen, die den Abstand zu
jedem künstlichen Satelliten bestimmen. Die augenblickliche
Position jedes künstlichen Satelliten wird zu der Zeit eines
Photographierens bestimmt unter Verwendung der anzunehmenden
Orbitdaten des künstlichen Satelliten S. die von der
stationären Station P an dem Erdboden erhältlich sind, und dann
befindet sich die Empfangsstation (Luftfahrzeug A) auf der
Oberfläche jeder Kugel mit einem Radius der so bestimmten
Distanz von der stationären Station P zu dem Luftfahrzeug A
mit ihrem Mittelpunkt an dem künstlichen Satelliten. Solche
Berechnungen werden für vier oder mehr künstliche Satelliten
durchgeführt und die Empfangsstation (Luftfahrzeug A) wird
kontinuierlich in der klimatischen oder differenziellen Weise
lokalisiert.
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Ein Stabilisator 4 absorbiert die Vibration des Luftfahrzeugs
und zur selben Zeit steuert er die Lage der Luftfahrzeug-
Kamera.
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Fig. 4 zeigt den Steuermechanismus des Stabilisators. Wie in
dieser Zeichnung gezeigt, hat die dreilinige Sensorkamera 1
einen Kreisel 2, der integral damit verbunden ist, und der
Kreisel 2 liefert Spannungssignale, um die Motoren (M1, M2,
M3) des dreiachsigen Lagesteuermechanismus zu steuern,
wodurch die Kamera in Ausrichtung mit einer gegebenen festen
Richtung gebracht wird.
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Die Fig. 5 bis 8 zeigen, wie die dreilinige Sensorkamera
1 ein Stück Land photographiert.
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Es wird auf Fig. 5 Bezug genommen - das Luftfahrzeug A
fliegt auf einem gegebenen Kurs bei einer vorbestimmten Höhe
und in einer vorbestimmten Richtung. Bei diesem Idealfall ist
die dreilinige Luftfahrzeug-Sensorkamera 1 immer vertikal
ausgerichtet, liefert somit vollständige Landbilder, die frei
von Störungen sind, wobei kein Datenanteil verloren wird.
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Es ist jedoch tatsächlich unmöglich, daß das Luftfahrzeug
immer auf dem idealen Kurs fliegt, und es neigt dazu, von dem
geeigneten Kurs abzuweichen, wenn es nachteilig durch Wind
oder andere Wetterfaktoren beeinflußt wird. Fig. 6
veranschaulicht, wie das Stück Land abgefahren wird, wenn das
Luftfahrzeug rollt, Fig. 7 veranschaulicht, wie das Stück
Land abgefahren wird, wenn das Luftfahrzeug nickt, und Fig.
8 veranschaulicht zuletzt, wie das Stück Land abgefahren
wird, wenn das Luftfahrzeug giert.
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Es ist daher erforderlich, daß der dreiachsige
Lagesteuermechanismus in Echtzeit so gesteuert wird, daß die Lage der
Luftfahrzeug-Kamera vertikal in einer festen Höhe gehalten
wird, wodurch seine Sensoren in einen Zustand gebracht
werden, bei dem sie den geeigneten Flugkurs durchlaufen können.
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Es wird angenommen, daß die Lage des Flugzeugs aufgezeichnet
wird, während photographiert wird, statt die Lage des
Luftfahrzeugs zu steuern, so daß es ermöglicht wird, daß die
Luftfahrzeug-Kamera aus dem Landabfahrbereich heraus
abtastet, wenn das Luftfahrzeug sich neigt, um dem zutreffenden
Flugkurs zu folgen. In diesem Fall wird das reproduzierte
Landbild unvollständig sein, wobei einige Anteile von
Landbilddaten verloren werden. Selbst obwohl das Luftfahrzeug auf
dem zutreffenden Flugkurs ist, wird die Luftfahrzeug-Kamera,
wenn sie um irgendeine der drei Koordinatenachsen, wie in
Fig. 6 bis 7 gezeigt, geneigt ist, versagen, über den
ausgewählten Streifen von Land vollständig abzutasten, und
das reproduzierte Bild kann nicht interpoliert oder
extrapoliert werden, um ein vollständiges Landbild bereitzustellen.
Eine solche Interpolation oder Extrapolation, wenn möglich,
wird viel Zeit benötigen, die mit einer Computerverarbeitung
verbunden ist.
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Fig. 9 ist ein Flußdiagramm, das die Verarbeitung von Daten
zeigt, die durch einen zugehörigen Datenprozessor
durchgeführt wird.
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Wie in Fig. 9 gezeigt, bewirkt der Datenprozessor 5 die
Verarbeitung von Lagedaten von dem Kreisel 2 und der
augenblicklichen Positionsdaten von dem GPS 3 zum Ausgeben von
Signalen zum Steuern des Stabilisators 4.
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Eine Entscheidung, ob das Luftfahrzeug gerade auf dem
geeigneten Flugkurs fliegt oder nicht, kann aufgrund der
augenblicklichen Positionsdaten von dem GPS 3 vorgenommen werden.
Auch eine Entscheidung, ob das Luftfahrzeug eine Drehung zu
der Seite hat oder nicht, kann aufgrund der Daten des
Gierwinkels, der von dem Kreisel 2 erhältlich ist, vorgenommen
werden (insbesondere eine solche Drehung, die durch quer
einfallenden Wind hervorgerufen wird). Dementsprechend kann
eine erforderliche Korrektur zum Ausrichten der Luftfahrzeug-
Kamera, quer zum geeigneten Flugkurs zu sein (oder die
Luftfahrzeug-Kamera zu veranlassen, quer über den Streifen Land
abzutasten), vorgenommen werden, welche Korrektur
"Driftwinkel-korrektur" oder "Gierkorrektur" genannt wird.
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Der Datenprozessor 5 überträgt Daten von Landbildern von der
Kamera 1, Daten der Lage des Luftfahrzeugs von dem Kreisel 2
und Daten der augenblicklichen Position des Luftfahrzeugs von
dem GPS 3 zu der Datenaufzeichnungseinrichtung 6. Aus diesen
Daten werden Signale erzeugt, um die Motoren des
Stabilisators zum Einstellen der optischen Achse der Luftfahrzeug-
Kamera 1, vertikal zu sein, zu steuern.
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Die Datenaufzeichnungseinrichtung 6 ist ein digitales
Aufzeichnungsgerät, das zum Aufzeichnen digitaler Daten bei
einer erhöhten Geschwindigkeit geeignet ist, somit die
Echtzeit-Aufzeichnung der Landbilddaten gestattet, die von der
Kamera 1 zu dem Datenprozessor 5 übertragen werden. Zur
selben Zeit werden Daten der Lage, die von dem Kreisel 2
erhältlich sind, und Daten der augenblicklichen Position, die von
dem GPS 3 erhältlich sind, synchron mit jeder Abtastlinie der
Landbilddaten aufgezeichnet.
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Die Bildanzeige 7 zeigt das Landbild, das von der Luftfahrzeug-Kamera
1 in Echtzeit aufgenommen wird, wodurch eine
Entscheidung ermöglicht wird, ob oder ob nicht das
Luftfahrzeug nun auf dem geeigneten Flugkurs ist, der vorzunehmen
ist.
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Der Datenanalysator 8 auf dem Erdboden macht erforderliche
Korrektoren der Linsenaberration, der CCD-Eigenschaften und
anderer geeigneter Faktoren auf der Basis von Landbilddaten,
der Lagedaten und der Positionsdaten, die sämtlich an der
Datenaufzeichnungseinrichtung 6 aufgezeichnet werden, um
Landbilddaten in Bezug auf feste Koordinaten für jedes Pixel
bereitzustellen. Die Landbilddaten, die so bereitgestellt
werden, können zum Betreiben der Software verwendet werden,
die sich auf digitale Photogrammetrie bezieht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Wie aus obigem zu verstehen ist, photographiert eine
dreilinige Sensorkamera ein ausgewähltes Stück Land kontinuierlich,
um Landbilddaten bereitzustellen, die bei drei verschiedenen
Winkeln aufgenommen werden, wodurch das Analysieren des
Landes im Hinblick auf Form und Höhe in Echtzeit ermöglicht
wird. Auch Lagedaten sind von dem Kreisel erhältlich, der mit
der Kamera integral verbunden ist, und die
Rückkopplungssteuerung der Kamera wird bewirkt auf der Basis der
Lagedaten, um so die optische Achse der Kamera zu allen Zeiten in
der vertikalen Richtung auszurichten und zur selben Zeit die
Liniensensoren quer zu dem Flugkurs auszurichten, somit zu
gewährleisten, daß die Landbilddaten von Störung frei sind.
Dank dieser Technik können Liniensensoren, für die bisher
gedacht wurde, daß sie nur in stabilen künstlichen Satelliten
benutzt werden können, an Bord sein zum Vornehmen von
Aufzeichnungen digitaler Landbilder.
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Zusätzlich zu Landbilddaten, die in der digitalen Form aufgezeichnet
werden, werden die Lagedaten, die von dem Kreisel
erhältlich sind, und die Positionsdaten, die von dem GPS
erhältlich sind, zusammen aufgezeichnet.
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Vorteilhafterweise werden diese sämtlichen aufgezeichneten
Daten zum Verarbeiten von Photographien benutzt, wodurch die
digitale Photo-Kartierung mit Genauigkeit bei einer erhöhten
Effizienz ermöglicht wird, und eine Arbeit, einen
Referenzpunkt zu finden, ist unnötig.