Практичні аспекти фотограмметричної обробки сканерних космічних знімків високої роздільної здатності
Транскрипт
2 Для IKOOS та QuickBird геометрична модель сенсора не є загальнодоступною; в обох випадках можливе надання цієї моделі компаніям-розробникам програмного забезпечення при укладенні спеціальної угоди, проте широкого поширення така практика не набула принаймні в даний час. В якості альтернативи строгому підходу до обробки розглядається метод раціональних функцій, який полягає у застосуванні співвідношень виду [2],[5],[6] x y = = P (ϕ, λ, h 1 P2 (ϕ, λ, h P3 (ϕ , ? j= 0 k= 0 i+ j+ k 3 які пов'язують нормовані координати ϕ, λ, h точки місцевості із нормованими координатами x, y її зображення на знімку. Нормовані величини, одержувані з вихідних значень за допомогою лінійного перетворення, за абсолютною величиною не перевищують одиниці, що підвищує надійність обчислень за формулами (1) (2). Коефіцієнти, що входять у співвідношення (2), позначають загальноприйнятою абревіатурою RPC, для якої існують різні розшифровки: Rational Polynomial Coefficients і Rapid Positioning Capability; перший варіант найчастіше застосовується до IKOOS [7], а другий характерний для QuickBird [10] (і для стандарту SIF, який використовується НАТО для обміну зображеннями). Співвідношення (1), (2) мають апроксимаційний, а не моделюючий характер; загалом їм важко дати фізичну інтерпретацію. Обчислення входять до них коефіцієнтів виходячи з лише набору опорних точок, по-перше, вимагатиме дуже великої кількості (мінімальний набір, без надмірних вимірів, складається з 39 точок!), і, по-друге, справедливість отриманих співвідношень на ділянках, не забезпеченихточками польової підготовки буде дуже сумнівна. Тому коректним шляхом обчислення цих коефіцієнтів є побудова суворої моделі та створення її основі великого набору точок з відомими координатами біля (точніше, у просторі об'єкта) і знімку; цей набір, своєю чергою, використовується визначення RPC [2], [5], [6]. У комплект поставки деяких типів знімків (точніше, продуктів ДЗЗ) з ІСЗ IKOOS і QuickBird входять передраховані значення коефіцієнтів RPC. Ці значення визначаються за наявними у Space Imaging і Digital Globe геометричними моделями сенсорів, результатами бортових і телеметричних траєкторних вимірювань, а також для продуктів високої точності опорних точок (які можуть бути надані замовником даного продукту). У разі, якщо опорні точки при обчисленні RPC не використовувалися, можливе застосування точок польової підготовки для отримання поправок до співвідношень (1). Відсутність чіткої інтерпретації цих співвідношень ускладнює їхнє уточнення; зазвичай обмежуються афінними поправками [2]. Застосування в цій якості складніших, наприклад, поліноміальних поправок другого ступеня та вище може призвести до зниження достовірності результатів. Як стверджують представники Space Imaging, Digital Globe та їх дистриб'юторів [5], [6], [11], застосування RPC забезпечує отримання продуктів практично такої ж точності, як і за умови використання суворої моделі. (2) 2
3 У меншій мірі придатні для обробки сканерних знімків високої роздільної здатності відомий метод DLT (Direct Linear Transformation), використання співвідношень афінної відповідності між точками місцевості та знімка та інші підходи подібного характеру, суть яких полягає у спрощеному моделюванні процесу зйомки: жорсткі вимоги до точностівихідного продукту роблять неприпустимо грубими ті наближені припущення, у яких грунтуються співвідношення, які у даних методах. Проте, як показує практика, в окремих випадках, при зйомці рівнинної місцевості або побудові ортозображень за знімками, зробленими в нагляд, точність вихідного продукту може бути такою самою, як при використанні RPC. 3. Огляд продуктів При покупці даних дистанційного зондування важливо вибрати саме той продукт, який відповідає поставленим цілям; на жаль, випадки неоптимального вибору знімків не такі вже й рідкісні. Розглянемо це питання з точки зору придатності даних ДЗЗ для фотограмметричної обробки IKOOS. Постачальники даних IKOOS пропонують продукти наступних рівнів обробки: - Geo: продукти цієї групи піддаються геометричній корекції найменшою мірою з усіх доступних даних IKOOS; це зображення з геоприв'язкою, що наведені в картографічну проекцію без урахування впливу рельєфу. Найбільшою мірою для фотограмметричної мети підходить продукт Geo Ortho Kit, в комплект поставки якого входять RPC. - Stereo: стереопара, отримана з одного витка, з відношенням базису зйомки до висоти в діапазоні Орієнтування знімків продукту Reference Stereo проводиться за орбітальними даними, а Precision Stereo по опорних точках, що надаються замовником (СКО планових координат 0.9м, СКО, що визначаються висотою м. 8). . - Ortho: продукти цієї групи є ортозображеннями різної точності (СКО планового положення точок від 11.8м до 0.9м); Для отримання найбільш якісних продуктів необхідно надати цифрову модель рельєфу та опорні точки відповідної точності. – ITM (IKOOS Terrain Model): цифрова модель рельєфу. Таким чином, вихідними даними для фотограмметричної обробки можуть служитипродукти груп Geo і Stereo, при цьому в першій групі краще Geo Ortho Kit, що містить RPC (при тій же ціні), а в другій Reference Stereo (він дешевше, ніж Precision Stereo, і для його отримання не потрібно передавати постачальнику знімків опорні точки) QuickBird Існують наступні види продуктів на основі знімків QuickBird: - Basic: це зображення, отримані з вихідних знімків внаслідок радіометричної корекції та виправлення геометричних спотворень, що вносяться самим сенсором (наприклад, дісторсії об'єктива). Саме до цих зображень застосовна жорстка геометрична модель сенсора, доступ до якої обмежений компанією Digital Globe. Однак крім параметрів зйомки, необхідних для застосування строгої моделі, до складу інформації, що супроводжує зображення 3
4 входять RPC, що дозволяють виконувати фотограмметричну обробку цих знімків з високою точністю та без застосування закритої моделі. - Standard: окрім перетворень, яким піддаються зображення рівня Basic, даний продукт проходить геоприв'язку та геометричну корекцію з метою часткового виправлення впливу рельєфу, для чого використовується цифрова матриця висот низької точності. Остання обставина знижує придатність таких зображень для фотограмметричної обробки (хоча в комплект поставки також входять RPC, вони забезпечують меншу (порівняно з Basic) точність ортозображень, які можуть бути отримані з їх використанням) - Standard Ortho Ready: аналогічний продукту Standard, проте при геометричній корекції не застосовується груба матриця висот, завдяки чому використання RPC, що додаються, забезпечує отримання ортозображень більш високої точності; - Ortho: цей продукт є ортозображенням; опорні точки та матриця висот для його отримання можуть бутинадані замовником; в іншому випадку постачальник даних може взяти завдання щодо їх отримання на себе. В останньому випадку СКО планового положення точок на ортозображенні складе близько 8м (близько 6м на території США). Як стверджує компанія Digital Globe та її дистриб'ютори, найкращі результати фотограмметричної обробки забезпечує застосування строгої моделі сенсора до знімків рівня Basic; при використанні RPC найбільш точне ортозображення буде отримано також за продуктом рівня Basic, дещо гірше за Standard Ortho Ready, і найгірше за зображенням рівня Standard [11]. Аналізуючи описи продуктів Space Imaging і Digital Globe ([7], [10] та інших.) слід пам'ятати, що точність планового становища точок у цих документах характеризується показником CE90 (Circular Error at 90% probability), а точність висот показником LE90 (Linear Error at 90% probability); ці характеристики передбачені американським стандартом MAS (US ational Map Accuracy Standard). З ймовірністю 90% відмінність планового положення точки, виміряного за продуктом, що характеризується величиною CE90, від його «істинного» (наприклад, отриманого в результаті високоточних польових вимірювань) положення, не перевищить CE90. Аналогічно, для 90% точок невисока висота не перевищить LE90. Показники CE90 і LE90 пов'язані з середньоквадратичними помилками планового положення r і висоти h наступним чином ([3], [4], а також [1]): CE90 LE90 = = σ r h (3) 4. Необхідність фотограмметричної обробки сканерних космічних знімків високої роздільної здатності Іноді доводиться стикатися з твердженням, що завдяки вузькому полю зору сенсорів високої роздільної здатності, що встановлюються на космічних носіях, знімки, що отримуються ними, не вимагають виконання фотограмметричних процесів, таких, якортотрансформування; вважають, що з отримання ортозображення досить виконати географічну прив'язку і афінне перетворення вихідного растру з кількох опорних точках, не залучаючи моделі рельєфу. Ця думка є невірною. Непрямим доказом його помилковості може бути та обставина, що постачальники даних позиціонують ортозображення як окремий і досить дорогий проти іншими продукт. Причиною цієї помилки є некоректне перенесення уявлень про виникнення зсувів за рельєф на аерофотознімках на випадок сканерної космічної зйомки. Топографічна аерофотозйомка проводиться в надир, і при цьому максимальні спотворення, спричинені 4
5 варіаціями висоти місцевості, що знімається, виникають на краях знімка, при відображенні променів, найбільшою мірою відхилених від оптичної осі об'єктива. Космічні сканерні знімальні системи забезпечуються довгофокусними об'єктивами, і пучок променів, що реєструється ними, дійсно набагато у ж, ніж у випадку аерофотоапарата; однак кут відхилення оптичної осі від надира може становити десятки градусів. При визначенні за знімком планового положення точки місцевості величина похибки L, викликаної відхиленням H висоти цієї точки від середнього значення (точніше, від висоти точок, що використовувалися для географічної прив'язки знімка), обчислюється за очевидною формулою L = H tgα. У таблиці 1 наведено значення планової помилки L залежно від характеру рельєфу місцевості (від рівнинного до гірського) та величини кута. Вибір значень кута для цієї таблиці не є випадковим. Знімки QuickBird, отримані при кутах I agree.