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Keywords:

  • digital aerial camera;
  • geometric calibration;
  • mechanical design;
  • modular system;
  • national mapping;
  • radiometric calibration

Abstract

After 10 years of pioneering aerial digital camera development, IGN’s CAMv2 project began in 2006 with the main goal of upgrading the then current system. This had been used for research applications since 1996 in more than six different configurations and in production since 2003 configured with four coloured channels. The new system is still highly modular, enabling combinations of several “basic components”, each consisting of one digital camera head with its storage and control unit. The new camera head was developed around the Kodak KAF-39 000, 39-megapixel array sensor (7216 × 5412 pixels). The system is also very versatile thanks to the possible choice of more than 10 different lenses (from 35 mm up to 180 mm focal length) and interchangeable spectral filters. The mechanical and electronic designs have been reduced in size so as to permit many different configurations including multiple camera heads on the same gyro-stabilised mount. The combination of the performance of camera heads and control and storage units allows a frame rate of one image per 2 s with storage redundancy and 1 s without, leading to a minimum ground sample distance (GSD) of about 9 cm with 60% overlap at an airspeed of 100 m/s. In order to use the new system to best advantage, the adjustment and calibration processes had to be improved. During the summer of 2009, three systems configured for colour imagery, each using four nadir-viewing camera heads (RGB and NIR), were used to acquire images for IGN production work. In January 2009, an eight-camera-head configuration was tested in order to achieve 155-megapixel pan-sharpened images with a pan-sharpening ratio of 2 × 2, and a final swath width of about 14 400 pixels. At that time this configuration needed two windows in the aircraft, but it is now installed on a single, bigger mount.

Résumé

Après dix ans de développements à l’Institut Géographique National sur les caméras numériques dédiées à la prise de vues aériennes, le projet CAMv2 a vu le jour en avril 2006 avec pour principal objectif, la mise à jour du système de caméras utilisé jusqu’alors. Ce système avait été utilisé depuis 1996 dans plus de six configurations différentes pour des applications de recherche et en production depuis 2003 dans une configuration à 4 canaux colorés. Le nouveau système est toujours hautement modulable, permettant de combiner des “éléments de base”, chacun de ces éléments étant constitué d’une tête de caméra numérique et de son tiroir d’acquisition et de contrôle. La nouvelle tête de caméra a été développée autour du capteur CCD matriciel Kodak KAF-39 000 39 Mégapixels (7216 × 5412 pixels). Le système est également très versatile grâce au choix possible de l’objectif parmi une liste de plus de dix optiques (avec des focales allant de 35 mm jusqu’à 180 mm) et grâce à des filtres spectraux interchangeables. Le dessin mécanique et la conception de l’électronique ont été réalisés avec le souci de réduire le volume occupé par une tête de caméra, et ainsi permettre des configurations à caméras multiples sur la même plate-forme gyro-stabilisée. La combinaison des performances des têtes de caméras et des tiroirs d’acquisition et de contrôle permettent d’atteindre une cadence d’acquisition d’une image toutes les 2 secondes en double sauvegarde et toutes les secondes sans cette redondance, soit une taille de pixel sol stéréoscopique minimum de 9 cm à 100 m/s. Afin d’utiliser nos caméras au mieux de leur possibilité, nous avons eu à améliorer nos procédures de mise au point et d’étalonnage. Trois systèmes quadri-canaux (rouge, vert, bleu et proche infrarouge), ont acquis durant l’été 2009 les images destinées aux lignes de production de l’IGN. En janvier 2009, une configuration à 8 têtes de caméras a été testée. On obtient ainsi des images couleur fusionnées d’environ 155 Mégapixels avec un rapport de pan-sharpening de 2 × 2 et une fauchée finale de 14 400 pixels. A cette époque, cette configuration nécessitait l’utilisation de deux trappes de prise de vues dans l’avion et est maintenant montée sur un seul support plus large.

Zusammenfassung

Nach zehn Jahren Pionierarbeit mit der Entwicklung digitaler Luftbildkameras begann in 2006 das Projekt CAMv2 des IGN zur Erneuerung des damals aktuellen Systems, welches seit 1996 für Forschungsanwendungen in mehr als sechs verschiedenen Konfigurationen eingesetzt worden war, und das seit 2003 in der Produktion in einer Version mit vier Farbkanälen genutzt wurde. Auch das neue System ist sehr modular aufgebaut, was Kombinationen mehrerer “Basiskomponenten” erlaubt, die jeweils aus einem digitalen Kamerakopf, einer Speicher- und einer Kontrolleinheit bestehen. Der neue Kamerakopf wurde um den Kodak KAF-39 000, 39-Megapixel Flächensensor (7216 × 5412 Pixel) gebaut. Das System ist sehr vielseitig, dank der Möglichkeit mehr als zehn verschiedene Objektive (von 35 mm bis zu 180 mm Brennweite) und austauschbaren Spektralfiltern einzusetzen. Die mechanischen und elektronischen Komponenten wurden in der Größe so reduziert, dass viele verschiedene Konfigurationen, einschließlich Mehrkopfsystemen, auf einer stabilisierten Plattform möglich sind. Die Kombination der Kameraköpfe, Kontroll- und Speichereinheiten erlaubt eine Bildrate von 1 Bild/2 s mit redundanter und von 1 Bild/1 s ohne redundante Speicherung. Damit kann eine minimale Bildenpixelauflösung (GSD) von ca. 9 cm bei 60%Überdeckung und einer Fluggeschwindigkeit von 100 m/s erreicht werden. Für die neue Kamera mussten auch die bestehenden Justierungs- und Kalibrierprozesse verbessert werden. Im Sommer 2009 wurden drei Systeme zur Erfassung von Farbbildern für die Produktion am IGN eingesetzt, wobei jedes System aus einer 4-Kopfkamera (RGB und NIR) im Nadirmodus bestand. Im Januar 2009 wurde eine 8-Kopfkamerakonfiguration getestet, um 155-Megapixel pan-geschärfte Bilddaten mit einem Pan-Schärfungsverhältnis von 2 × 2, und einer endgültigen Schwadbreite von ca. 14 400 Pixel zu erzeugen. Damals benötigte diese Konfiguration noch zwei Öffnungen im Flugzeug, ist jetzt aber auf einer einzelnen, größeren Plattform installiert.

Resumen

Tras diez años de avances pioneros en el desarrollo de una cámara aérea digital, el proyecto CAMv2 de IGN arrancó en 2006 con el objetivo de mejorar el sistema utilizado desde 1996 para distintas investigaciones con más de seis configuraciones distintas y en producción desde 2003, configurada con cuatro canales de color. El nuevo sistema tiene un carácter modular, lo que permite realizar combinaciones de varios componentes básicos, básicamente un cuerpo de cámara digital y unidades de almacenamiento y control. El nuevo cuerpo de la cámara fue desarrollado a partir de la Kodak KAF-39 000, con un sensor matricial de 39 megapíxel (7216 × 5412 píxeles). El sistema es muy sensible gracias a la posibilidad de elegir entre más de 10 lentes diferentes (desde 35 mm hasta 180 mm de distancia focal) y dispone de filtros espectrales intercambiables. El diseño mecánico y electrónico ha reducido el tamaño para permitir muchas configuraciones diferentes incluyendo varios cuerpos de cámara sobre la misma montura giroestabilizada. La combinación de las prestaciones de los cuerpos de la cámara con las unidades de control y almacenamiento permite conseguir frecuencias de toma de una imagen cada 2 s con redundancia de almacenamiento, y de 1 s sin redundancia, así como una resolución en el terreno de 9 cm con un 60% de solape a una velocidad de vuelo de 100 m/s. Para optimizar el nuevo sistema, se han mejorado los procesos de calibración y ajuste. En el verano de 2009 se utilizaron los tres sistemas para obtener imágenes en color, cada uno con 4 cuerpos de visión nadir (RGB y IRC), para el IGN. En enero de 2009 se ensayó una configuración de 8 cuerpos para obtener imágenes con realce pancromático de 155 megapíxel utilizando una proporción de realce 2 × 2, y una anchura de barrido de unos 14 400 píxeles. En aquel momento esta configuración exigía disponer de dos ventanas en la aeronave, pero ahora están instaladas en una sola montura mayor.