Geographic information reference model

Hệ thống LIDAR có thể được phân loại trên cơ sở của các hiện tượng vật lý khác nhau mà chúng được thiết kế để tìm ra.

i) Hệ số tán xạ và bước sóng phụ thuộc của nó,

ii) Cấu trúc và độ sâu quang học của những dữ liệu đám mây,

iii) Ranh giới bề mặt,

iv) Cấu trúc đa lớp,

v) Lớp chiều cao,

vi) Tán xạ tích hợp trung bình,

vii) Độ phủ phân đoạn,

viii) Lượng bức xạ thông qua các phép đo phản xạ bề mặt là hàm của góc tới.

LIDAR systems can be classified on the basis of the different physical phenomena that they are designed to detect.

i) scattering ratio and its wavelength dependence,

ii) structure and optical depth of the clouds,

iii) planetary boundary,

iv) multi-layer structure,

v) layer height,

vi) averaged integrated backscatter,

vii) fractional cover, and

viii) radiation budget via measurements of surface reflectance and albedo as a function of incidence angle.

- Differential absorption LIDAR (DIAL) truyền hai bước sóng song song gần nhau. Một trong hai bước sóng này trùng với một đường phổ hấp thụ ánh sáng của phân tử, bước sóng còn lại có cùng đường cong với đường phổ hấp thụ ánh sáng trên nhưng không trùng với nó. Trong suốt quá trình truyền trong không khí, năng lượng của bước sóng thứ nhất trùng với đường cong hấp thụ của phổ sẽ bị suy giảm yếu hơn năng lượng của bước sóng còn lại. Sự tập trung các vật thể được xác định dựa trên sự suy giảm quang học tương đối.

- Raman LIDAR sử dụng các thành phần Raman-shifted, liên quan đến sự thay đổi các mức năng lượng dao động của phân tử. Vì mỗi loại phân tử có mỗi mức năng lượng lượng tử tuần hoàn và dao động riêng, và mỗi phân tử có các dấu hiệu phổ riêng

- Raylelgh LIDAR đo cường độ của tán xạ Rayleigh, được sử dụng để xác định một mật độ tương đối. Kỹ thuật này được sử dụng lần lượt để xác định nhiệt độ tuyệt đối.

- Resonance LIDAR sử dụng sự tán xạ cộng hưởng xảy ra khi năng lượng của một photon ánh sáng bằng năng lượng của quá trình chuyển đổi được phép trong một nguyên tử. Vì mỗi loại nguyên tử và phân tử có một sự hấp thụ riêng biệt và phổ huỳnh quang, hiệu ứng này có thể được sử dụng để xác định và đo lường mật độ của một loài đặc biệt.

• 
  Coherent Doppler LIDAR is usually used for remote sensing of the distribution of wind velocity and aerosol backscatter within three-dimensional volumes in the troposphere and lower stratosphere. Coherent LIDAR is considered to be more sensitive and to provide better wind measurements at aerosol levels consistent with the boundary layer and lower troposphere, as well as from atmospheric ice and water clouds.
  
• 
  Differential absorption LIDAR (DIAL) transmits two closely spaced wavelengths. One of these wavelengths coincides with an absorption line of the constituent of interest, and the other is in the wing of this absorption line. During transmission through the atmosphere, the emission that is tuned to the absorption line is attenuated more than the emission in the wing of the absorption line. The concentration of the species can be determined based on the relative optical attenuation.
  

• 
  Raman LIDAR uses the Raman-shifted component that is a transition that involves a change in the vibrational energy level of molecules. Since each type of molecule has unique vibrational and rotational quantum energy levels, each has a unique spectral signature.
  
• 
  Raylelgh LIDAR measures the intensity of the Rayleigh backscatter, which is used to determine a relative density profile. This is used in turn to determine an absolute temperature profile.
  
• 
  Resonance LIDAR uses the resonant scattering that occurs when the energy of an incident photon is equal to the energy of an allowed transition within an atom. As each type of atom and molecule has a unique absorption and fluorescent spectrum, this effect can be used to identify and measure the concentration of a particular species.
  

Các ứng dụng điển hình của hệ thống LIDAR bao gồm:

- Theo dõi và nghiên cứu khí quyển (ví dụ: các phép đo tầng ozone);

- Lập bản đồ địa hình 3D (Ví dụ: các khu vực đô thị (mô hình 3D thành phố), đường dây điện, và khai thác mỏ);

- Đo thủy văn (ví dụ: độ sâu);

- Lâm nghiệp và quản lý rừng (ví dụ: sinh khối, khối lượng gốc, chiều cao cây);

- Giám sát môi trường (ví dụ: chất lượng nước và thực vật phù du);

- Phát hiện ô nhiễm (ví dụ: phát hiện đường ống dẫn bị rò rỉ dầu hoặc khí);

- Lập bản đồ ô nhiễm hữu cơ (ví dụ: dầu và các sản phẩm dầu khí trên đất hoặc trong nước);

- Đo các công trình công nghiệp (ví dụ: cầu và xe tăng);

- An ninh quốc gia.

Đối với một số loại ứng dụng trên, hệ thống LIDAR được bay cùng với các bộ cảm biến quang học khác như máy ảnh đo ảnh.

Typical applications of LIDAR systems include:

• 
  Atmospheric monitoring and studies (e.g. aerosol profiling and ozone measurements);
  
• 
  3D terrain mapping [e.g. urban areas (3D city modelling), power lines, and mining];
  

• 
  Hydrographic measurements (e.g. bathymetry);
  
• 
  Forestry and forest management (e.g. biomass, stem volume, tree heights);
  
• 
  Environmental monitoring {e.g. water quality and phytoplankton);
  
• 
  Pollution detection (e.g. pipeline leak detection like oil or gas);
  
• 
  Mapping organic pollution (e.g. oil and petroleum products on soil or in water);
  
• 
  Measuring industrial structures (e.g. bridges and tanks);
  
• 
  Homeland security.
  

Siêu âm là một cảm biến truyền và phát tín hiện âm thanh có sử dụng một hoặc nhiều đầu dò truyền xung âm thanh với một hoặc nhiều máy thu đo các xung âm thanh phản xạ cùng với thông tin tán xạ (tín hiệu tỷ lệ với tiếng ồn). Việc tính độ sâu được xác định bằng cách ghi lại khoảng thời gian giữa các xung sóng siêu âm truyền và nhận lại. Tốc độ của âm thanh như mô tả trong các lịch trình vận tốc âm thanh được sử dụng để tính toán khoảng cách di chuyển. Siêu âm cũng có thể xác định các đối tượng nằm dưới (bùn, sỏi, đá, cát...) bằng cách sử dụng tán xạ như một biện pháp cứng được xác định bằng cách so sánh với danh mục phân loại.

Truyền và nhận nhiều xung bởi các cảm biến siêu âm tạo ra độ phủ 100% bề mặt của đáy biển. Các sai số của siêu âm phụ thuộc vào chiều sâu và tần số âm thanh.

Hệ thống siêu âm thực hiện các phép đo sau đây:

- Thời gian thực hiện cho xung phát ra âm thanh để đi từ các cảm biến tới mặt đất và trở lại (phần triệu giây).

- Tán xạ - đo cường độ phản xạ của xung siêu âm phản xạ.

- Vết siêu âm - thường được đại diện bởi các phép đo bằng mét vuông.

Sonar is a sound transmittal and detection sensor that uses one or more transducers to transmit sound pulses with one or more receivers that measure the reflected sound pulses along with backscatter information (signal to noise ratio). The calculated depth is determined by recording the time interval between transmitted and received sonar pulses. The speed of sound as described in sound velocity profiles is used to calculate the travel distance. Sonar can also determine bottom types (mud, gravel, rock, sand, etc.) by using backscatter as a measure of hardness determined by comparison to classification catalogues.

Multiple pulses transmitted and received by multibeam sonar create 100 % coverage surfaces of the sea bottom. The sonar error footprint is dependent on depth and sound frequency.

Sonar systems make the following measurements.

• 
  Time taken for the emitted pulse of sound to travel from the sensor to the ground and back (milliseconds).
  
• 
  Backscatter - measure of the reflective intensity of the reflected sonar pulse.
  
• 
  Sonar footprint - usually represented by measurements in square meters.
  

Thông tin có thể được nhận từ cảm biến sóng siêu âm bao gồm:

- Độ sâu - thời gian để thực hiện việc phát ra xung âm thanh từ các bộ cảm biến tới mặt đất và quay trở lại, tính bằng mét.

- Hồ sơ vận tốc âm thanh (m/s),

- Mô hình số độ cao,

- Thủy triều/mô hình hiện tại,

- Bản đồ kết cấu đáy biển dựa trên tán xạ,

- Mô hình bão tăng cường,

- Bản đồ xói mòn bờ biển,

- Bản đồ trọng lực không khí tự do (sự tổng hợp trọng lực và bản đồ độ sâu),

- Mô hình lũ lụt ven biển,

- Phân loại đáy biển,

- Độ dày trầm tích,

- Mực nước biển dâng.

Information that can be derived from sonar sensor data includes

• 
  Depth - time taken for the emitted pulse of sound to travel from the sensor to the ground and back, interpreted in meters,
  
• 
  Sound velocity profiles (m/s),
  
• 
  Digital elevation models,
  
• 
  Tide/current models,
  
• 
  Sea bottom texture maps based on backscatter,
  
• 
  Storm surge models,
  
• 
  coastal erosion maps,
  
• 
  Free-air gravity maps (fusion of gravity and bathymetric maps),
  
• 
  Coastal flooding models,
  
• 
  Seabed classification,
  
• 
  Sediment thickness, and
  
• 
  Sea level rise.
  

Trong khi Chỉ tiêu kỹ thuật này được giới hạn thông tin kỹ thuật số, một trong những nguồn của ảnh kỹ thuật số là phim. Máy ảnh phim vẫn còn được sử dụng rộng rãi. Ảnh phim phải được quét trước khi xử lý.

Cả hai phim âm bản và phim in có thể được quét để tạo ra thông tin kỹ thuật số. Quá trình quét có thể được thực hiện bằng cách sử dụng màu sắc không gian tổng hợp, quá trình quét có thể thu nhận được thông tin quang phổ nhiều hơn và có thể được biểu diễn trong tọa độ không gian màu. Một ảnh quét hạn chế bởi không gian tọa độ màu là một ảnh gốc. Một ảnh quét không hạn chế bởi không gian tọa độ là một cảnh ảnh địa lý.

While this Technical Specification is limited to digital information, one source of digital imagery is film. Film cameras remain widely used. Film images have to be scanned before further processing.

Both film negatives and film prints can be scanned to create digital information. The scanning process may be performed using colour-space coordinates or the scanning process may gather more spectral information than can be represented in colour-space coordinates. A scanned image constrained by colour-space coordinates is a Picture Original. A scanned image not constrained by colour-space coordinates is a Geographic Imagery Scene.

Một ảnh địa lý có thể thu được bằng cách quét một bản đồ giấy. Những ảnh kết quả là ảnh gốc. Các bản đồ giấy bị hạn chế trong việc chứa các quang phổ màu của quá trình in ấn. Ngoài ra, bản đồ có chứa các tính năng miêu tả và chú thích cũng như thông tin cảnh ảnh địa lý. Một bản đồ quét có thể được phân loại thành hai loại đã nắn địa lý hoặc không nắn địa lý, tùy thuộc vào khoảng cách của các ô lưới tham chiếu đến tọa độ bản đồ địa lý.

Ví dụ, một mảnh bản đồ địa hình được quét trong hệ thống tọa độ mặt phẳng quốc gia (SPCs) ở Mỹ là nắn địa lý vì các ô lưới quét đặt cách đều nhau dọc theo trục tọa độ mặt phẳng X và Y (giả sử không có sự biến dạng của bản đồ và không có sai số trong quá trình quét). Một bản đồ hoặc biểu đồ giấy được quét, thường đã có một lưới được in trên bản đồ hoặc biểu đồ đó. Lưới này có thể được sử dụng để đặt các điểm nắn để nắn bản đồ hoặc biểu đồ quét. Các nút giao cắt của lưới in trên bản đồ quét hoặc biểu đồ có thể liên kết với các ô mà những giao cắt có ở trên hệ thống tọa độ sử dụng trong bản đồ.

A geographic image can be obtained by scanning a hardcopy map. The resulting image is a Picture Original. Hardcopy maps are constrained to contain the spectrum of the colour coordinates of the printing process and any aging of the print. Also, maps contain portrayed features and annotations as well as Geographic Imagery Scene information. A scanned map can be classified into either georectified or non-georectified, depending on whether the cells are uniformly spaced in reference to geographic map coordinates.

For example, a scanned topographic sheet in the State Plane Coordinate System (SPCS) in the US is georectified because the scanned cells are uniformly spaced along the state plane's X and Y coordinates (assuming no distortion of the map and no position errors during scanning). When a paper map or chart is scanned, often there already exists a printed grid on the map or chart. This grid can be used to provide a set of control points to georectify the scanned map or chart. The intersections of the gridlines printed on the scanned map or chart can relate the cells in which those intersections occur to the coordinate system used on the map.

Ví dụ, trong một hệ thống biểu đồ hàng hải dạng ảnh (theo quy định của IHO) sử dụng một biểu đồ giấy được quét mà vị trí của tàu được thể hiện lên biểu đồ đó. Điều này là cần thiết để người dùng có thể nhìn thấy tọa độ của con tàu trên hệ thống tọa độ được in trên biểu đồ, cũng như ký hiệu thể hiện vị trí con tàu được thể hiện chính xác từ tọa độ thế giới thực.

For example, in a Raster Nautical Chart system (as defined by IMO) that uses a scanned paper chart and which plots ships-own-position as an overlay on the chart, it is necessary for the user to see coordinates in the coordinate system printed on the chart, but also for the symbol representing ships-own-position to be correctly derived from real-world coordinates.

Yêu cầu về kiểm nghiệm và hiệu chỉnh do Ủy ban về vệ tinh quan sát Trái Đất (CEO)⁽⁴⁹⁾ đề nghị, bao gồm:

- Tất cả các hệ thống đo lường quan sát Trái Đất nên được theo dõi bằng đơn vị SI đối với tất cả các phép đo xấp xỉ.

- Trước khi bắt đầu hiệu chỉnh nên sử dụng thiết bị và kỹ thuật có thể truy nguyên rõ ràng, và phù hợp với, hệ thống SI về đơn vị; và truy xuất nguồn gốc số liệu cần được duy trì trong suốt quá trình thực hiện.

Nghị quyết này tuân theo những điều đãđược thông qua ở Hội nghị toàn thể lần thứ 20 của Văn phòng cân đo Quốc tế, hội nghị đã kết luận rằng: "những người chịu trách nhiệm cho các nghiên cứu về các nguồn tài nguyên Trái Đất, môi trường, các vấn đề liên quan sức khỏe con người đảm bảo rằng các phép đo thực hiện trong các chương trình của họ là tốt, các đơn vị SI đáng tin cậy trong dài hạn, có thể so sánh với thế giới và được liên kết với các lĩnh vực khoa học công nghệ khác mặc dù hệ thống đo lường thế giới được thành lập và duy trì theo Công ước du Mètre ⁽¹⁴⁾

Requirements for calibration and validation recommended by the Committee on Earth Observation Satellites (CEOS)^[49] include the following.

• 
  All Earth observation measurement systems should be traceable to SI units for all appropriate measurands.
  
• 
  Pre-launch calibration should be performed using equipment and techniques that can be demonstrably traceable to, and consistent with, the SI system of units; and metric traceability should be maintained throughout the lifetime of the mission.
  

Kỹ thuật để hiệu chỉnh được dựa trên phương pháp đo lường nhằm thiết lập ra các quy tắc chung cho việc đánh giá và thể hiện tính không ổn định trong đo lường. Hệ thốngđo lường được chủ yếu là liên quan tới tính không ổn địnhtrong các phép đo của một đại lượng vật lý được xác định rõ – mà nó có thể được đặc trưng bởi một giá trị cơ bản duy nhất. Nó cũng bao gồm việc đánh giá và biểu thị tính không ổn địnhliên quan đến thiết kế thử nghiệm, phương pháp đo lường và các hệ thống phức tạp.

Hệ thống đo lường được tập trung vào những con số đo lường. Một con số đo lường là thuộc tính của một hiện tượng, vật thể hoặc chất mà có thể phân biệt chất lượng và xác định số lượng⁽⁸⁰⁾. Đo lường là một tập hợp các hoạt động lên đối tượng để xác định giá trị của một số lượng ⁽⁸⁰⁾. Đo lường là con số cụ thể tuỳ thuộc vào phép đo⁽⁸⁰⁾.

Nhìn chung, tính không ổn địnhtrong đo lường bao gồm nhiều thành phần. Một số thành phần này có thể được đánh giá từ những phân bố thống kê các kết quả của hàng loạt phép đo và có thể được đặc trưng bởi độ lệch tiêu chuẩn thử nghiệm. Các thành phần khác, mà cũng có thể được đặc trưng bởi độ lệch chuẩn, được tính toán từ các phân bố xác suất giả định dựa trên kinh nghiệm hoặc các thông tin khác.

Techniques for calibration are based on metrology that establishes general rules for evaluating and expressing uncertainty in measurement. Metrology is mainly concerned with the uncertainty in the measurement of a well-defined physical quantity - the measurand - that can be characterized by an essentially unique value. It also covers the evaluation and expression of uncertainty associated with the experiment design, measurement methods, and complex systems.

Metrology is focused on measurable quantities. A measurable quantity is an attribute of a phenomenon, body or substance that may be distinguished qualitatively and determined quantitatively⁽⁸⁰⁾. A measurement is a set of operations having the object of determining the value of a quantity⁽⁸⁰⁾. A measurand is a particular quantity subject to measurement⁽⁸⁰⁾.

Uncertainty of measurement comprises, in general, many components. Some of these components may be evaluated from the statistical distribution of the results of series of measurements and can be characterized by experimental standard deviations. The other components, which can also be characterized by standard deviations, are evaluated from assumed probability distributions based on experience or other information.

Điều này được hiểu rằng kết quả của phép đo là ước lượng giá trị chính xác nhất của đo lường và tất cả các thành phần của tính không ổn định, bao gồm cả những sai số phát sinh từ các ảnh hưởng có hệ thống, chẳng hạn như các thành phần liên quan đến hiệu chỉnh và tiêu chuẩn tham chiếu, góp phần vào sự phân tán giá trị.

- Sự đo lường là đặc tính kết quả của một phép đo hoặc giá trị của một tiêu chuẩn mà nó có thể liên quan đến các tham chiếu đã được công bố, thường là quốc gia hoặc quốc tế, thông qua một chuỗi so sánh không gián đoạn của tất cả các giá trị không ổn định.

- Hiệu chỉnh là quá trình xác định số lượng phản hồi của hệ thống để nhận biết, kiểm soát tín hiệu đầu vào ⁽⁹⁴⁾.

- Kiểm nghiệm là quá trình đánh giá chất lượng của các sản phẩm dữ liệu thu được từ hệ thống các kết quả đầu ra ⁽⁹⁴⁾.

Đối với hiệu chỉnh dữ liệu ảnh, tính không ổn địnhcủa cảm biến phải được đo đạc. Để xác định tính không ổn địnhcủa một bộ cảm biến ảnh, số liệu đo lường phải được xác định.

It is understood that the result of the measurement is the best estimate of the value of the measurand, and that all components of uncertainty, including those arising from systematic effects, such as components associated with corrections and reference standards, contribute to the dispersion.

• 
  Metric traceability is the property of the result of a measurement or the value of a standard whereby it can be related to stated references, usually national or international standards, through an unbroken chain of comparisons all having stated uncertainties tsoj.
  
• 
  Calibration is the process of quantitatively defining a system's responses to known, controlled signal inputs ^[94].
  
• 
  Validation is the process of assessing, by independent means, the quality of the data products derived from the system outputs^[94]
  

Bộ cảm biến ảnh và hệ thống định vị sẽ ghi lại vị trí và trạng thái thông tin cùng với dữ liệu giá trị thuộc tính. Thông tin này có thể được áp dụng ngay lập tức để định vị các dữ liệu hoặc có thể được thực hiện với các dữ liệu, hỗ trợ định vị sau. Một hệ thống định vị là một hệ thống của các hợp phần thiết bị và tính toán dùng cho xác định vị trí. Các loại hệ thống định vị khác nhau được liệt kê trong Bảng 8. Ví dụ về các hệ thống định vị được cung cấp trong ISO 19116⁽⁸⁸⁾ xác định cấu trúc dữ liệu và nội dung của một giao diện cho phép giao tiếp giữa các thiết bị cung cấp số liệu về vị trí và thiết bị sử dụng các số liệu vị trí để các thiết bị sử dụng số liệu vị trí có thể nhận được số liệu và phần giải thích rõ ràng về vị trí và xác định khi mà các kết quả đáp ứng được các yêu cầu của mục đích sử dụng. ISO 19130 chú trọng vào việc sử dụng thông tin định vị liên quan đến ảnh. Vị trí của ảnh có thể liên quan đến một loạt các chuyển đổi giữa các vị trí tương đối của các thành phần trong hệ thống cảm biến. Kỹ thuật đo ảnh cũng được dùng để định vị ảnh.

Concurrent with attribute value data, the imaging sensor and its associated positioning system shall record location and attitude information. This information may be applied immediately to geolocate the data or may be carried with the data, supporting geolocation at a later time. A positioning system is a system of instrumental and computational components for determining position. Various types of positioning systems are listed in Table 8. Examples of positioning systems are provided in ISO 19116⁽⁸⁸⁾, which specifies the data structure and content of an interface that permits communication between position-providing device(s) and position-using device(s) so that the position-using device(s) can obtain and unambiguously interpret position information and determine whether the results meet the requirements of the intended use. ISO 19130 addresses the use of positioning information with regard to imagery. Positioning of imagery may involve a series of transformations between relative positions of elements of the sensing system. Photogrammetric techniques are also used for positioning imagery.