Concept of a digital aerial platform for conducting observation flights under the Open Skies Ttreaty

The Treaty on Open Skies, to which Poland is a signatory from the very beginning, was signed in 1992 in Helsinki. The main principle of the Treaty is increasing the openness of military activities conducted by the States-Parties and control over respecting disarmament agreements. Responsibilities given by the Treaty are fulfilled by conducting and receiving a given number of observation flights over the territories of the Treaty signatories. Among the 34 countries currently actively taking part in this Treaty only some own certified airplanes and observation sensors. Poland is within the group of countries who do not own their own platform and therefore fulfills Treaty requirements using the Ukrainian An-30b. Primarily, the Treaty only enabled the use of analogue sensors for the acquisition of imagery data. Together with the development of digital techniques, a rise in the need for digital imagery products had been noted. Currently digital photography is being used in almost ass fields of studies and everyday life. This has lead to very rapid developments in digital sensor technologies, employing the newest and most innovative solutions. Digital imagery products have many advantages and have now almost fully replaced traditional film sensors. Digital technologies have given rise to a new era in Open Skies. The Open Skies Consultative Commission, having conducted many series of tests, signed a new Decision to the Treaty, which allows for digital aerial sensors to be used during observation flights. The main aim of this article is to design a concept of choosing digital sensors and selecting an airplane, therefore a digital aerial platform, which could be used by Poland for Open Skies purposes. A thorough analysis of airplanes currently used by the Polish Air force was conducted in terms of their specifications and the possibility of their employment for Open Skies Treaty missions. Next, an analysis was conducted of the latest aerial digital sensors offered by leading commercial manufacturers. The sensors were analyzed in terms of the accordance of their specifications with the technical requirements of the Treaty.W 1992 r. w Helsinkach został podpisany Traktat o Otwartych Przestworzach (Treaty on Open Skies), w którym Polska uczestniczy od samego początku. Do zadań Traktatu należy przede wszystkim zwiększenie otwartości działań militarnych podejmowanych przez Państwa-Strony i nadzór nad przestrzeganiem postanowień porozumień rozbrojeniowych. Zobowiązania podpisane w Traktacie wypełnia się poprzez wykonywanie oraz przyjmowanie określonej liczby lotów obserwacyjnych nad terytorium sygnatariuszy Traktatu. Spośród 34 państw obecnie uczestniczących w porozumieniu tylko niektóre dokonały certyfikacji samolotu i zainstalowanej aparatury obserwacyjnej. Strona Polska należy do grona państw, które nie posiadają własnej platformy i w celu wywiązywania się z ustalonych postanowień Traktatu, wynajmuje samolot AN-30B od Strony Ukraińskiej. Wstępnie Traktat określał możliwość wykorzystania jedynie analogowych sensorów do pozyskiwania danych obrazowych. Wraz z rozwojem techniki cyfrowej zanotowano wzrost zapotrzebowania na produkty bazujące na tego typu technologii. Obecnie fotografia cyfrowa jest wykorzystywana w wielu dziedzinach życia i nauki. Przyczyniło się to do większego rozwoju aparatury cyfrowej, wykorzystującej coraz to nowsze, bardziej innowacyjne rozwiązania. Cyfrowe produkty cechuje wiele zalet i obecnie prawie całkowicie wyparły one tradycyjne aparaty na film. Cyfrowa technika zapoczątkowała nową erę w Open Skies. Idąc z duchem czasu Komisja Konsultacyjna do spraw Traktatu, po przeprowadzeniu badań, podpisała nową Decyzję, będącą załącznikiem do Traktatu, zezwalającą na wykorzystanie cyfrowych aparatów lotniczych podczas realizacji misji. Głównym celem artykułu jest opracowanie koncepcji zastosowania cyfrowych sensorów oraz wyboru statku powietrznego, czyli cyfrowej platformy lotniczej, która mogłaby być wykorzystywana przez Polskę na potrzeby realizacji misji Open Skies. Dokonano analizy statków powietrznych będących na uzbrojeniu Sił Powietrznych Rzeczpospolitej Polskiej, pod kątem ich przydatności i możliwości adaptacji jednego z nich w celu wykorzystania podczas misji Open Skies. Następnie dokonano przeglądu nowoczesnych lotniczych sensorów cyfrowych oferowanych przez wiodących producentów rynku komercyjnego, oraz dodatkowo przeanalizowano zgodność parametrów tych sensorów z postanowieniami Traktatu i jego decyzjami

Selected problems with determination of resolving power of sensors used during Open Skies missions

Precyzyjne wyznaczanie terenowej zdolności rozdzielczej sensorów jest kluczowym problemem przy pozyskiwaniu zobrazowań z pułapu lotniczego, zwłaszcza w ramach traktatu Open Skies. Ustalono w nim minimalną, dopuszczalną, terenową zdolność rozdzielczą dla poszczególnych rodzajów sensorów. Ponieważ rozdzielczość terenowa większości rodzajów sensorów jest uzależniona od ich wysokości nad odwzorowywanym terenem, konieczne jest wyznaczenie minimalnej wysokości lotu obserwacyjnego, na której dozwolona rozdzielczość terenowa nie zostanie przekroczona. W tym celu wykonuje się przeloty i pozyskuje zobrazowania nad specjalnie skonstruowanymi celami kalibracyjnymi. Na pozyskanych zobrazowaniach mogą występować pewne błędy, artefakty, mające wpływ na poprawność wyznaczania zdolności rozdzielczej. W przypadku badań w zakresie widzialnym błędy spowodowane są przeważnie pracą sensora oraz sposobem rejestracji danych. W przypadku sensorów termalnych, dodatkowym elementem mogącym wprowadzać błędy są same cele kalibracyjne. W Zakładzie Teledetekcji i Fotogrametrii WAT prowadzone są obecnie prace nad stworzeniem nowych celów kalibracyjnych, których konstrukcja będzie minimalizowała te błędy.The precise determination of resolving power of sensors is a key problem especially when establishing which sensors can be used for Open Skies missions. The Treaty on Open Skies dictates the lowest acceptable resolving power of sensors which can be used during observation flights. Because the resolving power of most sensors differs with the height of the sensor above the terrain, it is essential to determine the minimal flying altitude, at which the permitted spatial resolution will not be exceeded. A series of test flights above especially constructed calibration targets is conducted in order to acquire imagery of these tests at different altitudes. The spatial resolution of these images is determined by evaluating the visibility of each of the components of these calibration targets. In theory, such a methodology would allow for the precise calculation of the resolving power. In reality, however, the acquired images can be burdened with a number of artifacts, or deformities, which can have a negative effect on accuracy of our calculations. When acquiring imagery in the visible range, these errors are usually caused by the detector itself or by the method by which the data is registered. However, imagery in the thermal range can additionally contain errors caused by the design of the calibration targets used. In recent years, at the Department of Remote Sensing and Photogrammetry at the Military University of Technology in Warsaw, we have designed and constructed a number of calibration targets used during Open Skies missions. One such target had been recently laid out during a Ukrainian observation flight over Polish territories. The aim of the experiment was to establish the resolving power of a new Ukrainian film. A series of images had been acquired by means of the AFA-41/7.5 analogue frame camera from a height of 1100 m. This height is the theoretical Hmin for this film, meaning the spatial resolution of imagery acquired from this altitude, will be close to 30 cm. Based on imagery acquired during this flight, it had been established that the spatial resolution of the resultant imagery is much worse than 30 cm, which means that the chosen Hmin value had been too high. We are currently in the process of constructing a new set of calibration targets, whose design will minimize the aforementioned errors. Additionally, the targets have been designed in such a way, that they will be used for determining the spatial resolution of both thermal and optical sensors. The effectiveness of these new targets will be tested shortly

Determining the ground resolved distance for digital sensors using calibration targets

Jednym z najistotniejszych parametrów opisujących jakość i przydatność interpretacyjną satelitarnych i lotniczych zobrazowań teledetekcyjnych jest ich rozdzielczość przestrzenna. Zobrazowania o dobrej rozdzielczości terenowej umożliwią interpretatorowi dokonanie dokładniejszej analizy i bardziej szczegółowego rozpoznania niżeli byłoby to możliwe na podstawie zobrazowań o niższej rozdzielczości. W przypadku sensorów cyfrowych możemy rozróżnić dwa parametry opisujące rozdzielczość powierzchniową obrazów: GRD (Ground Resolved Distance) i GSD (Ground Sampling Distance). GSD jest to częstość próbkowania i określa jedynie wielkość piksela w terenie. Parametr GRD jednak określa najmniejszą wielkość, jaka może zostać rozróżniona na zobrazowaniu. Terenowa zdolność rozdzielcza wyznaczana jest na podstawie specjalnie skonstruowanych testów kalibracyjnych. Testy te przyjmują szereg kształtów, form i rozmiarów. Cechują się zróżnicowanym kontrastem pomiędzy poszczególnymi elementami. Cele kalibracyjne wykorzystywane były od wielu lat do wyznaczania terenowej zdolności rozdzielczej sensorów analogowych. Najnowsze badania rozdzielczości sensorów cyfrowych wykonane na podstawie tych samych tradycyjnych celów kalibracyjnych pokazały, iż niektóre tradycyjne cele nie są odpowiednie. W celu poprawnego zbadania rozdzielczości sensorów cyfrowych niezbędne są pewne zmiany w konstrukcji takiego celu. Wartości GRD wyznaczone na podstawie istniejących celów obarczone są dużymi błędami spowodowanymi artefaktami występującymi na pozyskanych obrazach. Wynika to ze sposobu, w jaki promieniowanie rejestrowane jest przez detektor cyfrowy. Zespół Zakładu Teledetekcji i Fotogrametrii WAT przeprowadził serię doświadczeń, które pozwoliły na określenie optymalnych parametrów celu kalibracyjnego, który służyłby do wyznaczania terenowej zdolności rozdzielczej sensorów cyfrowych. Dodatkowo badania pozwoliły na opisanie metodyki prowadzenia analizy wizualnej pozyskanych zobrazowań. W badaniach tych przeanalizowano parametry specyficzne dla zobrazowań cyfrowych.One of the main parameters describing the quality and interpretational usefulness of satellite and aerial remote sensing images is their spatial resolution. Imagery characterized by a high ground resolution enable the interpreter to conduct a more detailed analysis and more thorough interpretation than possible with images of lower resolution. When working with digital sensors we can distinguish two parameters which define the spatial resolution of images: GRD (Ground Resolved Distance) and GSD (Ground Sampling Distance). GSD is the sampling frequency and only describes the size of the pixel on the ground. The GRD parameter describes the smallest length which can be recognized on the image. The ground resolved distance is determined based on especially constructed calibration targets. These targets can take several forms, shapes and sizes. They are characterized by a difference in contrast between its individual segments. Calibration targets have been used for many years to determine the ground resolved distance of analogue sensors. The newest research on digital sensors based on the same traditional calibration targets have shown that some of these targets are now inadequate. In order to correctly determine the resolution of digital sensors, changes must be made to the structure of the targets. The GRD value calculated based on existing targets is laden with large errors caused by artifacts occurring on the acquired images. These are the result of the way energy is registered by a digital sensor. A research team from the Remote Sensing and Photogrammetry Department of the military University of Technology has conducted a number of experiments which have allowed to determine the optimal parameters of a calibration target for establishing the ground resolved distance of digital sensors. Additionally, the experiments allowed description of a new methodology for analyzing the acquired imagery. In these experiments a number of parameters specific to digital imagery had been analyzed

Możliwości interpretacyjne zobrazowań pozyskanych przy wykorzystaniu techniki video w zakresie UV

Zobrazowania pozyskane w zakresie UV niosą ze sobą bardzo dużą ilość informacji, niemożliwej, ze wzglądu na fizyczne właściwości promieniowania, do rejestracji z pułapu satelitarnego. Do rejestracji tych zobrazowań autorzy wykorzystali techniką video. Pomimo, że nie są to zobrazowania kartometryczne, ich niewątpliwe walory interpretacyjne czynią je bardzo przydatnymi w procesie rozpoznawania obrazów

Terrestrial laser scanning of road infrastructure objects

Naziemny skaning laserowy jest nieocenionym narzędziem inwentaryzacji obiektów architektonicznych, inżynieryjnych, instalacji przemysłowych i mas ziemnych. W przypadku, kiedy obiekt jest rozległy, znacznie oddalony od stanowiska pomiarowego, lub dostęp do niego jest utrudniony, skaning laserowy może być jedyną możliwością wykonania tak dokładnych pomiarów. Za pomocą skanera możemy zbadać geometrię, wymiary i stan obiektów obiektu w relatywnie krótkim czasie. Prace badawcze przeprowadzone zostały na przykładzie dwóch warszawskich mostów: Siekierkowskiego i Świętokrzyskiego. Podstawowym problemem zachowania żądanej dokładności opracowań tego typu konstrukcji pojawia się już na etapie rejestracji poszczególnych skanów. Ruch uliczny, drgania czy brak odpowiedniej widoczności wykluczają zastosowanie tarcz celowniczych i zmuszają do stosowania odpowiedniej metody pomiaru i rejestracji danych. Ostatecznie, w przeprowadzonych badaniach błąd dopasowania skanów poszczególnych obiektów nie przekroczył dla obu mostów odpowiednio wartości 3 mm i 12 mm. Dodatkowo podjęto próbę wykorzystania informacji o intensywności powracającego sygnału, która może być źródłem informacji o stopniu zużycia lub uszkodzenia niektórych elementów konstrukcyjnych. Ocenie poddano próbki różnych materiałów, z których wykonane są obiekty mostowe i drogowe (stal, skorodowana blacha, beton, cegła itp.). W artykule przedstawione zostały metody skaningu laserowego wykorzystane do badania konstrukcji mostu, rejestracji danych, tworzenia trójwymiarowych modeli i przekrojów tego typu obiektów.Terrestrial laser scanning is a very useful tool in inventoring architectural, engineering, and industrial objects and buildings. Sometimes, when an object is bright and difficult to access, the only possibility of measuring it is through scanning. The high precision and high speed of scanning make it possible to acquire information about the object's geometry and dimensions in a short time. The condition of the object is another aspect, an important one as well. The destroyed or damaged road infrastructure is dangerous, therefore it is necessary to check its condition. Experiments were made by scanning two bridges in Warsaw, the Świętokrzyski and the Siekierkowski. Point clouds were acquired from several stations. A major problem appeared during scan registration. Street traffic, vibrations and/or bad visibility disabled the targets used and made it necessary to apply other measurements methods. Finally, the recording error in the experiments did not exceed 0.003 and 0.012 m for the Świętokrzyski and the Siekierkowski bridge, respectively. Additionally, an attempts was made at using information on signal intensity. This information can be useful when it is desired to assess the condition of some construction elements. Samples of different construction materials: aluminum, corroded steel, brick, wood, PVC, and others were tested in a test field created. Not only was the usable scanning rate determined, but the possible scanning angle was identified as well. The paper discusses the results obtained and describes the samples tested. In the measurements, appropriate location of stations as well as geometric and material conditions allowed to use the scanning range of 150 m. The paper presents also the methods for laser scanning of bridge constructions, scan registrations as well as generation of 3D models and cross-sections

Accuracy assessment of modeling architectural structures and details using terrestrial laser scanning

One of the most important aspects when performing architectural documentation of cultural heritage structures is the accuracy of both the data and the products which are generated from these data: documentation in the form of 3D models or vector drawings. The paper describes an assessment of the accuracy of modelling data acquired using a terrestrial phase scanner in relation to the density of a point cloud representing the surface of different types of construction materials typical for cultural heritage structures. This analysis includes the impact of the scanning geometry: the incidence angle of the laser beam and the scanning distance. For the purposes of this research, a test field consisting of samples of different types of construction materials (brick, wood, plastic, plaster, a ceramic tile, sheet metal) was built. The study involved conducting measurements at different angles and from a range of distances for chosen scanning densities. Data, acquired in the form of point clouds, were then filtered and modelled. An accuracy assessment of the 3D model was conducted by fitting it with the point cloud. The reflection intensity of each type of material was also analyzed, trying to determine which construction materials have the highest reflectance coefficients, and which have the lowest reflection coefficients, and in turn how this variable changes for different scanning parameters. Additionally measurements were taken of a fragment of a building in order to compare the results obtained in laboratory conditions, with those taken in field conditions

Initial detection of the condition of building facades using hyperspectral imagery

Istnieje wiele czynników powodujących niszczenie zewnętrznej części elewacji budynków. Należą do nich mchy, szkodniki, wilgoć czy grzyby, które często powodują uszkodzenia materiałów kamieniarskich, zewnętrznych części tynków i tym samym ich kruszenie i odpadanie. Czynnikiem, któremu zespół z Zakładu Teledetekcji i Fotogrametrii WAT poświęcił szereg badań i analiz, jest wilgotność. Wywołuje ona gnicie drewna, murszenie cegły, korozję stali, jak również może spowodować mikropęknięcia i odpadanie tynku. Ponadto zawilgocone elementy budowlane powodują wzrost zapotrzebowania na energię grzewczą. Wzrost wilgotności powietrza wewnętrznego budynku staje się również początkiem rozwoju szkodliwych pleśni i grzybów. Zagadnieniem poruszonym w opisanej pracy badawczej jest wykrywanie zawilgoconych obszarów elewacji nieinwazyjnymi metodami teledetekcyjnymi.There are a great number of factors and processes which can have a negative effect on the facades of buildings. Such damaging processes include weathering, corrosion, salt blooming and biological changes like moss, lichen, moulds and moisture. Most techniques used nowadays to detect these changes either require us to be in close proximity to the analyzed surface or can themselves have damaging effects on the structure (i.e. when drilling or other forms of extraction of material are needed). The research team at the Department of Remote Sensing and Photogrammetry at the Military University of Technology has developed a system which enables the acquisition of hyperspectral images in the 420-1100 nm range. The system is composed mainly of a monochromatic camera and two optoelectronically tunable filters — one in the visible range of the electromagnetic spectrum (VIS 420-720 nm) and the other in the close infrared region (NIR 650-1100 nm). The hyperspectral imaging system is ideal for the detection of the above mentioned changes occurring on buildings. A sequence of images in the 420-1100 nm range with a 10 nm bandwidth and 10 nm step is acquired. Registered images, especially those in the infrared range, can be very useful for detecting of areas of excess moisture on the building surface. The measurement of moisture content has a particular importance, as most aforementioned damages are caused by, higher than average, levels of moisture. Having acquired a hyperspectral image sequence, it is possible to conduct a simple supervised image classification, which will highlight areas of higher moisture content. These areas can then be more closely monitored and analyzed to determine the nature and extent of the damages caused by moisture. As a result, an image representing areas of heightened moisture content on the surface of the buildings facade is created. The proposed hyperspectral technique is noninvasive and allows for the analysis of the entire facade surface at once. It is also possible to acquire a spectral response curve for any chosen point or area on the acquired hyperspectral images