Практические аспекты фотограмметрической обработки сканерных космических снимков высокого разрешения

Министерство  образования и науки Украины

ГВУЗ Криворожский технический  университет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему : «Практические аспекты фотограмметрической обработки сканерных космических снимков высокого разрешения»

курс «Инженерная  фотограмметрия»

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                     Студента группы ЗИГ – 08

                                                                                                                                                       Исполнитель: Ярошенко Д.Ю.

                                                                                                                                                      Проверил: Долгих Л.В. 

 

 

 

 

 

 

 

Кривой рог

2013

1.Введение

С появлением спутников  дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) гражданского и двойного назначения, оборудованных оптико-электронными сенсорами высокого разрешения, сканерные  космические снимки смогли составить конкуренцию аэрофотоснимкам в качестве исходного материала для крупномасштабного картографирования. По техническим характеристикам современные сканерные снимки пригодны для создания карт масштабов 1 : 5 000 и мельче; несмотря на достаточно высокую стоимость этих снимков, они могут оказаться дешевле аэрофотосъёмки при картографировании небольших или малообжитых (удаленных от аэродромов) участков местности. Сканерная космическая съёмка также предпочтительна в тех случаях, когда аэрофотосъёмка сложна в организационном отношении, например, при картографировании крупных городов и приграничных районов; кроме того, она более оперативна. Согласно исследованию и прогнозу развития рынка данных ДЗЗ на ближайшие 10 лет [9], опубликованному американским обществом фотограмметрии и дистанционного зондирования (ASPRS), в настоящее время неудовлетворен спрос на снимки разрешением от 1м и лучше; прогнозируется устойчивый рост продаж материалов ДЗЗ (включая аэрофотосъёмку), третью часть которых составят космические снимки. Первыми на рынок оптико-электронных снимков высокого разрешения вышли компании Space Imaging и Digital Globe, предлагающие данные, получаемые со спутников IKONOS и QuickBird соответственно. Именно эти материалы являются наиболее распространенными в настоящее время; работа с ними имеет ряд особенностей, которые рассмотрены ниже.

2.Методы фотограмметрической  обработки сканерных снимков  высокого разрешения

Наиболее строгим  подходом к фотограмметрической  обработке сканерных снимков  является моделирование процесса съёмки, в результате которого восстанавливается пространственное положение совокупности лучей, сформировавших снимок. Этот метод подразумевает определение траектории носителя (точнее говоря, сенсора; это аналог линейных элементов внешнего ориентирования в классической фотограмметрии снимков в центральной проекции), ориентации сенсора (аналог угловых элементов внешнего ориентирования), а также использование аналога элементов внутреннего ориентирования - геометрической модели сенсора. Эта модель определяет для каждого детектора линейки ПЗС единичный направляющий вектор (в некоторой системе координат, связанной с сенсором) луча, регистрируемого данным детектором. Динамический характер сканерной съёмки существенно затрудняет уточнение параметров этой модели по опорным точкам в процессе ориентирования снимка, особенно для сенсоров высокого разрешения, когда обеспечение точности выходных продуктов, адекватной разрешению исходного снимка, требует применения сложных моделей. Для IKONOS и QuickBird геометрическая модель сенсора не является общедоступной; в обоих случаях возможно предоставление этой модели компаниям-разработчикам программного обеспечения при заключении специального соглашения, однако широкого распространения такая практика не получила, по крайней мере, в настоящее время.

В качестве альтернативы строгому подходу к обработке  рассматривается метод рациональных функций, который заключается в  применении соотношений вида [2],[5],[6]  (1)

где в числителях и знаменателях стоят полиномы третьей  степени:  

 

 

(2)

которые связывают  нормированные координаты  точки  местности с нормированными координатами  её изображения на снимке. Нормированные  величины, получаемые из исходных значений с помощью линейного преобразования, по абсолютной величине не превосходят  единицы, что повышает надёжность вычислений по формулам (1),(2). Коэффициенты, входящие в соотношения (2), обозначают общепринятой аббревиатурой RPC, для которой, тем не менее, существуют различные расшифровки: Rational Polynomial Coefficients и Rapid Positioning Capability; первый вариант чаще применяется к IKONOS [7], а второй характерен для QuickBird [10] (и для стандарта NSIF, используемого НАТО для обмена изображениями). Соотношения (1),(2) имеют аппроксимационный, а не моделирующий характер; в общем виде им сложно дать физическую интерпретацию. Вычисление входящих в них коэффициентов на основании только набора опорных точек, во-первых, потребует очень большого их числа (минимальный набор, без избыточных измерений, состоит из 39 точек!), и, во-вторых, справедливость полученных соотношений на участках, не обеспеченных точками полевой подготовки, будет весьма сомнительна. Поэтому корректным путём вычисления этих коэффициентов является построение строгой модели и создание на её основе большого набора точек с известными координатами на местности (точнее, в пространстве объекта) и на снимке; этот набор, в свою очередь, используется для определения RPC [2], [5], [6]. В комплект поставки некоторых типов снимков (точнее говоря, продуктов ДЗЗ) с ИСЗ IKONOS и QuickBird входят предвычисленные значения коэффициентов RPC. Эти значения определяются по имеющимся у Space Imaging и Digital Globe геометрическим моделям сенсоров, результатам бортовых и телеметрических траекторных измерений, а также, для продуктов высокой точности, опорных точек (которые могут быть предоставлены заказчиком данного продукта). В случае, если опорные точки при вычислении RPC не использовались, возможно применение точек полевой подготовки для получения поправок к соотношениям (1). Отсутствие четкой интерпретации этих соотношений затрудняет их уточнение; обычно ограничиваются аффинными поправками [2]. Применение в этом качестве более сложных, например, полиномиальных поправок второй степени и выше может привести к снижению достоверности результатов. Как утверждают представители Space Imaging, Digital Globe и их дистрибьюторов [5], [6], [11], применение RPC обеспечивает получение продуктов практически такой же точности, как и при использовании строгой модели. В меньшей степени пригодны для обработки сканерных снимков высокого разрешения известный метод DLT (Direct Linear Transformation), использование соотношений аффинного соответствия между точками местности и снимка и другие подходы подобного характера, суть которых заключается в упрощенном моделировании процесса съёмки: жесткие требования к точности выходного продукта делают недопустимо грубыми те приближенные предположения, на которых основаны соотношения, применяемые в данных методах. Тем не менее, как показывает практика, в отдельных случаях, при съёмке равнинной местности или построении ортоизображений по снимкам, сделанным в надир, точность выходного продукта может быть такой же, как при использовании RPC.

3.Обзор продуктов

При приобретении данных дистанционного зондирования важно  выбрать именно тот продукт, который отвечает поставленным целям; к сожалению, случаи неоптимального выбора снимков не так уж редки. Рассмотрим этот вопрос с точки зрения пригодности данных ДЗЗ для фотограмметрической обработки.

3.1.IKONOS

Поставщики данных IKONOS предлагают продукты следующих уровней обработки:

- Geo: продукты этой группы  подвергаются геометрической коррекции  в наименьшей степени из всех  доступных данных IKONOS; это изображения  с геопривязкой, приведенные в  картографическую проекцию без  учета влияния рельефа. В наибольшей степени для фотограмметрических целей подходит продукт Geo Ortho Kit, в комплект поставки которого входят RPC.

- Stereo: стереопара, полученная  с одного витка, с отношением  базиса съёмки к высоте в  диапазоне 0.54 - 0.83. Ориентирование  снимков продукта Reference Stereo производится по орбитальным данным, а Precision Stereo - по опорным точкам, предоставляемым заказчиком (СКО плановых координат 0.9м, СКО определяемых высот 1.8 м).

- Ortho: продукты этой группы  являются ортоизображениями различной точности (СКО планового положения точек от 11.8м до 0.9м); для получения наиболее качественных продуктов необходимо предоставить цифровую модель рельефа и опорные точки соответствующей точности.

- ITM (IKONOS Terrain Model): цифровая  модель рельефа.

Таким образом, исходными  данными для фотограмметрической  обработки могут служить продукты групп Geo и Stereo, при этом в первой группе предпочтительнее Geo Ortho Kit, содержащий RPC (при той же цене), а во второй - Reference Stereo (он дешевле, чем Precision Stereo, и для его получения не требуется передавать поставщику снимков опорные точки).

3.2.QuickBird

Существуют следующие  виды продуктов на основе снимков QuickBird:

- Basic: это изображения,  получаемые из исходных снимков  в результате радиометрической коррекции и исправления геометрических искажений, вносимых самим сенсором (например, дисторсии объектива). Именно к этим изображениям применима строгая геометрическая модель сенсора, доступ к которой ограничен компанией Digital Globe. Однако помимо параметров съёмки, необходимых для применения строгой модели, в состав сопровождающей изображение информации входят RPC, позволяющие выполнять фотограмметрическую обработку этих снимков с высокой точностью и без применения закрытой модели.

- Standard: помимо преобразований, которым подвергаются изображения уровня Basic, данный продукт проходит геопривязку и геометрическую коррекцию с целью частичного исправления влияния рельефа, для чего используется цифровая матрица высот низкой точности. Последнее обстоятельство снижает пригодность таких изображений для фотограмметрической обработки (хотя в комплект поставки также входят RPC, они обеспечивают меньшую (по сравнению с Basic) точность ортоизображений, которые могут быть получены с их использованием)

- Standard Ortho Ready: аналогичен продукту Standard, однако при геометрической коррекции не применяется грубая матрица высот, благодаря чему использование прилагаемых RPC обеспечивает получение ортоизображений более высокой точности;

- Ortho: этот продукт представляет собой ортоизображение; опорные точки и матрица высот для его получения могут быть предоставлены заказчиком; в противном случае поставщик данных может взять задачу по их получению на себя. В последнем случае СКО планового положения точек на ортоизображении составит около 8м (около 6м для территории США).

Как утверждает компания Digital Globe и её дистрибьюторы, наилучшие  результаты фотограмметрической обработки  обеспечивает применение строгой модели сенсора к снимкам уровня Basic; при использовании RPC наиболее точное ортоизображение будет получено также по продукту уровня Basic, несколько худшее - по Standard Ortho Ready, и наихудшее - по изображению уровня Standard [11].

Анализируя описания продуктов Space Imaging и Digital Globe ([7], [10] и др.) следует иметь в виду, что точность планового положения точек в этих документах характеризуется показателем CE90 (Circular Error at 90% probability), а точность высот - показателем LE90 (Linear Error at 90% probability); эти характеристики предусмотрены американским стандартом NMAS (US National Map Accuracy Standard). С вероятностью 90% отличие планового положения точки, измеренного по характеризуемому величиной CE90 продукту, от его "истинного" (например, полученного в результате высокоточных полевых измерений) положения, не превысит CE90. Аналогично, для 90% точек невязка высоты не превысит LE90. Показатели CE90 и LE90 связаны со среднеквадратическими ошибками планового положения  и высоты  следующим образом ([3], [4], а также [1]):  (3)

4.Необходимость фотограмметрической обработки сканерных космических снимков высокого разрешения

Иногда приходится сталкиваться с утверждением, что  благодаря узкому полю зрения сенсоров высокого разрешения, устанавливаемых  на космических носителях, получаемые ими снимки не требуют выполнения фотограмметрических процессов, таких, как ортотрансформирование; полагают, что для получения ортоизображения достаточно выполнить географическую привязку и аффинное преобразование исходного растра по нескольким опорным точкам, не привлекая модели рельефа. Это мнение является неверным. Косвенным подтверждением его ошибочности может служить то обстоятельство, что поставщики данных позиционируют ортоизображения как отдельный и достаточно дорогой по сравнению с остальными продукт. Причиной этого заблуждения является некорректный перенос представлений о возникновении смещений за рельеф на аэрофотоснимках на случай сканерной космической съёмки. Топографическая аэрофотосъёмка производится в надир, и при этом максимальные искажения, вызванные вариациями высоты снимаемой местности, возникают на краях снимка, при отображении лучей, в наибольшей степени отклоненных от оптической оси объектива. Космические сканерные съёмочные системы снабжаются длиннофокусными объективами, и регистрируемый ими пучок лучей действительно гораздо уже, чем в случае аэрофотоаппарата; однако угол a отклонения оптической оси от надира может составлять десятки градусов. При определении по снимку планового положения точки местности, величина погрешности ΔL, вызванной отклонением ΔH высоты этой точки от среднего значения (точнее, от высоты точек, использовавшихся для географической привязки снимка), вычисляется по очевидной формуле ΔL = ΔH*tg α. В таблице 1 приведены значения плановой ошибки ΔL в зависимости от характера рельефа местности (от равнинного до горного) и величины угла α. Выбор значений угла α для этой таблицы не является случайным. Снимки QuickBird, полученные при углах α<15°, компания Digital Globe причисляет к категории наиболее пригодных для фотограмметрической обработки, в то время как максимальное значение этого угла достигает 25°; в случае IKONOS оно еще больше. Как показывает таблица 1, при съёмке равнинной местности погрешность определения планового положения контуров по снимку, прошедшему аффинную географическую привязку, может достигать десятков, а при съёмке гор - сотен метров. Таким образом, выполнение ортотрансформирования с учетом модели рельефа местности практически всегда (за исключением случаев съёмки равнинной местности или использования надирных снимков, предоставление которых поставщики данных не гарантируют) является необходимым условием получения выходных продуктов высокой точности.

Таблица 1: погрешность  определения планового положения точек местности по снимку, прошедшему аффинную географическую привязку.

5.Экономическая  целесообразность приобретения  готовых фотограмметрических продуктов

Среди продуктов, предлагаемых поставщиками данных, присутствуют ортоизображения и цифровые модели рельефа; в связи с этим уместно поставить вопрос об экономической целесообразности приобретения готовых фотограмметрических продуктов в качестве альтернативы их получению силами заказчика по снимкам низших уровней предварительной обработки. Рассмотрим данный вопрос на примере получения ортоизображения по одиночному снимку IKONOS и имеющейся у заказчика цифровой модели рельефа; ориентирование снимка производится по опорным точкам. Это одна из наиболее часто встречающихся задач, и, кроме того, как показывает более подробный анализ, сделанные выводы останутся справедливыми и в других случаях (использование снимков QuickBird, обработка стереопары и т. д.): различия имеют количественный, но не качественный характер. Будем полагать, что организация-заказчик располагает необходимой для обработки вычислительной техникой и квалифицированным персоналом, который способен обеспечить получение качественного продукта; при этом, однако, рассмотрим отдельно случай, когда отсутствует фотограмметрическое программное обеспечение (ПО), способное работать со сканерными снимками. Сравнение проведем на минимальном допустимом объёме заказа (при его увеличении различие в стоимости будет лишь возрастать); в качестве входных данных для обработки выберем продукт Geo Ortho Kit, в комплект которого входят RPC, а в качестве готового продукта, эквивалентного получаемому ортоизображению, возьмем не самый точный (СКО 1.9 м) и поэтому не самый дорогой продукт Precision (для получения которого поставщиком данных последнему должны быть предоставлены опорные точки и цифровая модель рельефа). В качестве приобретаемой цифровой фотограмметрической системы рассмотрим PHOTOMOD версии 3.5 для работы со сканерными космическими снимками; стоимость работ приведена в соответствии с ориентировочными расценками компании "РАКУРС". Результаты сравнения приведены в таблице 2; они показывают, что даже при минимальном объёме заказа и приобретении цифровой фотограмметрической системы для обработки единственного снимка, ортоизображение, полученное своими силами, обойдется вдвое дешевле приобретенного, а при увеличении объёмов работ собственный продукт может оказаться дешевле в четыре-пять раз. Следует заметить, что помимо чисто экономических аспектов, следует принять во внимание и некоторые организационные сложности; в частности, для производства высокоточных продуктов зарубежный поставщик данных должен получить от заказчика опорные точки адекватного качества, что противоречит действующему законодательству об охране государственной тайны.