Concise analysis and testing of a software model of a satellite remote sensing system used for image generation

Van der Westhuizen, Lynette (2014-12)

Thesis (MEng) -- Stellenbosch University, 2014.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The capability of simulating the output image of earth observation satellite sensors is of great value, as it reduces the dependency on extensive field tests when developing, testing and calibrating satellite sensors. The aim of this study was to develop a software model to simulate the data acquisition process used by passive remote sensing satellites for the purpose of image generation. To design the software model, a comprehensive study was done of a physical real world satellite remote sensing system in order to identify and analyse the different elements of the data acquisition process. The different elements were identified as being the target, the atmosphere, the sensor and satellite, and radiation. These elements and a signature rendering equation are used to model the target-atmosphere-sensor relationship of the data acquisition process. The signature rendering equation is a mathematical model of the different solar and self-emitted thermal radiance paths that contribute to the radiance reaching the sensor. It is proposed that the software model be implemented as an additional space remote sensing application in the Optronics Sensor Simulator (OSSIM) simulation environment. The OSSIM environment provides the infrastructure and key capabilities upon which this specialist work builds. OSSIM includes a staring array sensor model, which was adapted and expanded in this study to operate as a generic satellite sensor. The OSSIM signature rendering equation was found to include all the necessary terms required to model the at-sensor radiance for a satellite sensor with the exception of an adjacency effect term. The equation was expanded in this study to include a term to describe the in-field-of-view adjacency effect due to aerosol scattering. This effect was modelled as a constant value over the sensor field of view. Models were designed to simulate across-track scanning mirrors, the satellite orbit trajectory and basic image processing for geometric discontinuities. Testing of the software model showed that all functions operated correctly within the set operating conditions and that the in-field-of-view adjacency effect can be modelled effectively by a constant value over the sensor field of view. It was concluded that the satellite remote sensing software model designed in this study accurately simulates the key features of the real world system and provides a concise and sound framework on which future functionality can be expanded.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Dit is nuttig om ’n sagteware program te besit wat die gegenereerde beelde van ’n satellietsensor vir aarde-waarneming kan naboots. So ’n sagteware program sal die afhanklikheid van breedvoerige veldwerktoetse verminder gedurende die ontwerp, toetsing en kalibrasie fases van die ontwikkeling van ’n satellietsensor. Die doel van hierdie studie was om ’n sagteware model te ontwerp wat die dataverwerwingsproses van ’n passiewe satelliet afstandswaarnemingstelsel kan naboots, met die doel om beelde te genereer. Om die sagteware model te ontwerp het ’n omvattende studie van ’n fisiese regte wêreld satelliet afstandswaarnemingstelsel geverg, om die verskillende elemente van die dataverwerwingsproses te identifiseer en te analiseer. Die verskillende elemente is geïdentifiseer as die teiken, die atmosfeer, die sensor en satelliet, en vloed. Hierdie elemente, tesame met ’n duimdrukvergelyking, is gebruik om die teiken-atmosfeer-sensor verhouding van die dataverwerwingsproses te modelleer. Die duimdrukvergelyking is ’n wiskundige model van die verskillende voortplantingspaaie van gereflekteerde sonvloed en self-stralende termiese vloed wat bydra tot die totale vloed wat die sensor bereik. Dit is voorgestel dat die sagteware model as ’n addisionele ruimte afstandswaarnemingtoepassing in die ‘Optronics sensor Simulator’ (OSSIM) simulasie-omgewing geïmplementeer word. Die OSSIM simulasie-omgewing voorsien die nodige infrastruktuur en belangrike funksies waarop hierdie spesialis werk gebou kan word. OSSIM het ’n starende-skikking sensor model wat in hierdie studie aangepas is en uitgebrei is om as ’n generiese satellietsensor te funksioneer. Die OSSIM duimdrukvergelyking bevat al die nodige radiometriese terme, behalwe ’n nabyheids-verstrooiing term, om die vloed by die satellietsensor te modeleer. Die duimdrukvergelyking is uitgebrei in hierdie studie om ’n term in te sluit wat die verstrooiing van vloed vanaf naby-geleë voorwerpe, as gevolg van aerosol verstrooiing, kan beskryf. Die nabyheids-verstrooiing is gemodeleer as ’n konstante waarde oor die sigveld van die sensor. Modelle is ontwerp om die beweging van oor-baan skandering-spieëls en die satelliet wentelbaan trajek te bereken. ’n Basiese beeldverwerkings model is ook ontwerp om diskontinuïteite in geometriese vorms in die sensor beelde reg te stel. Toetsing van die sagteware model het gewys dat al die funksies korrek gefunksioneer het binne die limiete van die vasgestelde operasionele voorwaardes. Die toets resultate het ook bewys dat die in-sig-veld nabyheids-verstrooiing akkuraat gemodeleer kan word as ’n konstante waarde oor die sensor sigveld. Daar is tot die gevolgtrekking gekom dat die satelliet afstandswaarneming sagteware model wat in hierdie studie ontwerp is al die belangrikste kenmerke van die werklike wêreld stelsel kan simuleer. Die model vorm ’n beknopte en stewige raamwerk waarop toekomstige werk uitgebrei kan word.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/96029
This item appears in the following collections: