Melhores dados do espaço: como alcançamos imagens de resolução espacial ideal

Primeira parte de uma nova série técnica, que explora processos internos que permitem fornecer os melhores dados do espaço.

Nesta série técnica, os membros da equipe da Satellogic apresentam as etapas fundamentais na otimização do sistema óptico de alto desempenho para garantir produtos finais de qualidade aos clientes. Este artigo, o primeiro da série, enfoca a qualidade da resolução espacial e procedimentos para validar e calibrar a carga útil do satélite em laboratório e em órbita.

Métricas de resolução espacial

Como medida da qualidade da resolução espacial das imagens, a Satellogic considera a função métrica, a Função de Transferência de Modulação (MTF). Apresentamos aqui o método utilizado para estimar para quaisquer canais espectrais o MTF associado à resposta completa do sistema em órbita.

Em seguida, são definidos seus indicadores de qualidade derivados, como MTF em Nyquist e Full Width Half Maximum (FWHM), juntamente com indicadores gerais como a Distância Resolvida do Solo (GRD), a Distância de Amostragem do Solo (GSD) e a relação entre essas propriedades.

Para estimar a MTF do sistema em órbita, considera-se como entrada um alvo de imagem quadriculada adquirido do espaço, mostrado na figura 1, e inclui transições de borda em direcções quase verticais/horizontais para estimar a MTF no eixo ao longo da pista/através da pista.

Vários remendos de borda são extraídos do alvo seguindo o padrão ISO 12233, conforme ilustrado na figura 2: Altura da linha (Lh): linhas de 16 pixels, largura da linha (Lw) comprimento de 10 pixels, cercada por uma distância de transição (Tt) de pelo menos 1 raio PSF. Na etapa de modelagem de borda, muitas fases do sinal geoespacial são amostradas para se ter uma Edge Spread Function (ESF) super-resolvida. A norma ISO 12233 recomenda um fator de amostragem de 4. Na Satellogic, produz imagens de altíssima resolução, determinadas, através de calibrações controladas, um fator de amostragem de 8. Por direção, ao longo/através da pista, 2 clusters ESF normalizados podem ser medido, a partir das bordas superior e inferior do alvo, conforme figura 3.a. Derivando-os e alinhando-os, obtém-se uma série de Line Spread Function (LSF) bruta, como na figura 3.b. 

Lá, seguindo a ISO 12233:2014, uma correção de ângulo é aplicada e uma redução de ruído de apodização modificada é realizada para reduzir a contribuição de ruído sem impactar a estimativa da resposta do sinal em altas frequências. Vale ressaltar que o processo não aplica nenhuma modelagem de ajuste (sigmóide por exemplo) e prefere fazer fusão de LSFs subpixel para obter uma curva MTF que capture um comportamento mais realista do sistema.

Da estimativa do MTF, derivam dois indicadores avançados:

• A função de transferência de modulação em Nyquist , onde Nyquist é metade da frequência de amostragem do nosso sistema de aquisição, ou seja, 0,5 pixels. Pode ser considerado um bom indicador para a faixa de alta frequência. Teoricamente, o MTF em Nyquist + épsilon representa o aliasing em nossa imagem, enquanto o MTF em Nyquist – épsilon representa nossa capacidade de discriminar objetos de alta frequência. A decisão estratégica da Satellogic sobre esta compensação entre esses dois efeitos é de cerca de 10% MTF em Nyquist.
• A função de propagação de linha com largura total e metade máxima (LSF_FWHM). Definido como a largura de uma linha na metade de sua amplitude máxima, é estimado a partir da fusão de LSFs subpixel obtida no espaço conforme descrito acima.

Além disso, possuem os seguintes indicadores:

• A Distância de Amostra do Solo (GSD) : Definida como a projeção da densidade dos pixels no plano do solo. Esta métrica caracteriza a resolução apenas no nível do detector (ou produto final), enquanto negligencia o efeito da óptica e outros fatores, por isso tem uma capacidade limitada para caracterizar a resolução espacial. Será assim complementado pelo seguinte indicador.
• A Distância Resolvida no Solo (GRD) : Definida como a distância mínima no solo entre alvos pontuais que podem ser resolvidos. No Satellogic, consideramos o GRD como sendo: GRD (metros) = GSD (metro) * LSF_FWHM (pixels)

Caracterização e validação do sistema de aquisição

Apoiados nas métricas definidas acima, os diferentes subsistemas podem ser analisados ​​e validados.

Primeiro, o telescópio. Tradicionalmente, a qualidade da imagem de um satélite óptico de alto desempenho é considerada excelente se a difração da luz pelo telescópio óptico for o fator dominante que limita o seu desempenho. Isso ocorre quando o erro de frente de onda (WFE), figura 4, causado por aberrações de lentes, erros de fabricação de espelhos e alinhamento do sistema não passa de uma pequena fração do comprimento de onda. 

Assim, uma primeira caracterização é realizada, para cada satélite e em um ambiente bem controlado, para medir o erro de frente de onda do sistema de aquisição óptica, produzindo uma série de estimativas de subpixels locais de funções de transferência de modulação 3D, através do plano focal, mostradas em figura 5.

Para esta medição, é utilizado um sensor Shack Hartmann que emite e mede feixes de luz dedicados em comprimentos de onda específicos. A abordagem segue estas etapas:

• Alinhamento do telescópio – sistema de sensores Shack Hartmann em autocolimação.
• Meça o impacto da gravidade e subtraia-o.
• Meça o WFE, decomposto nos primeiros 37 coeficientes Zernike Fringe.

Com o estresse mecânico que todo o sistema de aquisição suporta durante o lançamento, o satélite pode ter um problema de desalinhamento óptico, com, por exemplo, inclinação do espelho. Para mitigar este risco, a caracterização e validação do sistema óptico antes do lançamento, descrita acima, é aplicada duas vezes: antes e depois de um teste de “agitação de satélite”. A qualidade é então comparada e, quando nenhuma diferença for observada, o sistema óptico é considerado seguro para lançamento.

Em segundo lugar, a posição do plano focal. Nas horas seguintes ao lançamento, de forma a mitigar o esforço mecânico suportado pela carga útil, é realizado um procedimento de exploração de foco, onde um mecanismo de refocagem garante a colocação do sensor no plano focal. A abordagem segue estas etapas:

• Opere o satélite para apontar um alvo terrestre com vários recursos
• Capture imagens sucessivas em diferentes focos
• Meça indicadores locais de nitidez, como Tenengrad (TENG), Laplaciano Modificado (LAPM), Variância de Laplaciano (LAPV).
• Defina o plano focal da imagem que maximiza essas métricas.

Terceiro, o sistema de compensação de movimento do satélite . Para garantir que tenha um desempenho constante e ideal do sistema de compensação de movimento de satélite, o MTF e outros indicadores mencionados são estimados em ambas as direções, ou seja, ao longo e transversalmente, e comparados. Essa validação ponta a ponta do sistema, combinada com dados de telemetria, nos permite monitorar o desempenho do sistema em nossa grande escala de constelação.

Qualidade de resolução espacial do produto Satellogic

Para monitorar cada um dos satélites, a equipe da Satellogic captura três alvos de resolução em todo o mundo várias vezes por mês:

• Baotou, China: coordenada central: Latitude: 40,8517, Longitude: 109,6289
• Salon-de-Provence, França: coordenada central: Latitude: 43.605921, Longitude: 5.120203
• Hyderabad, Índia: coordenada central: Latitude: 17.034, Longitude: 78.183

Para cada uma das capturas obtidas, é realizada uma estimativa automática de MTF e os resultados obtidos são então armazenados em um catálogo baseado em nuvem. Por fim, uma interface Web User exibe a curva MTF e os diferentes indicadores mencionados na seção anterior, permitindo o monitoramento ágil de toda a frota e a rápida detecção de falhas. Vale a pena mencionar que o MTF e todos os indicadores acima mencionados são estimados nas direções longitudinal e transversal.

Satellogic fornece imagens em resolução nativa muito alta, ou seja, GSD nativo de 1 m, em todas as bandas espectrais e, como mostrado abaixo, é capaz de produzir imagens multiespectrais em GSD de 70 cm em todas as bandas .

Na verdade, os resultados abaixo para a resolução nativa de 1 m foram verificados de forma independente pelo Serviço Geológico dos Estados Unidos no relatório de caracterização dos seus sistemas:

A partir da tabela e dos gráficos MTF e LSF em verde, as imagens da Satellogic têm

• 11,5% em Nyquist para 1 m GSD
• seu GRD do sistema em 1,64 pixels * 1 m = 1,64 m

Embora não exista banda PAN, todas as bandas multiespectrais são de alta resolução para todos os canais e as imagens resultantes são únicas e de uma classe própria, pois esses dados não requerem nitidez de panorâmica. Esta abordagem de detecção pertence a uma classe própria em comparação com conjuntos de dados aprimorados por PAN, proporcionando vantagens consideráveis ​​em termos de radiometria em nível de pixel. Esta estratégia permite, por exemplo, conduzir o mapeamento do Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) em VHR, um caso de uso importante para usuários do Portal de Dados Espaciais. Também permite levantamentos LULC explorando informações espectrais detalhadas na etapa de classificação para fornecer mapas LULC VHR pela primeira vez.

Além disso, com um GRD de 1,64 m, as imagens podem ser ligeiramente ampliadas para 70 cm para reduzir o aliasing aparente.

A calibração é um dos aspectos que levam em consideração para fornecer os melhores dados do espaço. Como parte da missão de democratizar o acesso aos dados de Observação da Terra, consideram estas especificações técnicas ao mesmo tempo que oferecem o melhor preço do mercado.

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Artigo: Satellogic