Створення та оновлення топографічних карт за матеріалами космічного знімання

DejaVu Sans Mono;

DejaVu Sans;Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Київський національний університет будівництва і архітектури

Кафедра геоінформатики та фотограмметрії

Курсова робота

з дисципліни «Дистанційне зондування Землі»

на тему: «Створення та оновлення топографічних карт за матеріалами космічного знімання»

Виконала:Ст. групи ГІСТ-51

Охременко А.О.

Перевірила: Квартич Т.М.

Київ 2013



Зміст

Вступ

1. Загальні вимоги і зміст цифрових топографічних карт і планів

2. Сучасні засоби ДЗ

2.1 Існуючий стан систем збору даних ДЗ

2.2 Комерційні супутники високої та надвисокої роздільної здатності

3. Технологічна схема створення топографічних карт за матеріалами космічного знімання

3.1 Загальна схема створення топографічних карт

3.2 Аналітичні моделі оброблення космічних знімків

3.3 Створення та оновлення топографічної карти за матеріалами космічного знімання

4. Технологічна схема оновлення топографічної карти за матеріалами космічного знімання

4.1 Загальна схема оновлення топографічних карт

Висновки

Список використаної літератури



Вступ

Дистанційне зондування Землі (Remote Sensing of Earth) -- це отримання інформації про об'єкти на земній поверхні, а також про процеси та явища, що відбуваються на нашій планеті у відсутності безпосереднього контакту з об'єктами дослідження, тобто “здалеку”. В залежності від способу розміщення реєструючих пристроїв методи ДЗЗ поділяються на наземні, авіаційні та космічні, але всі вони мають одну спільну рису: одержання інформації відбувається шляхом реєстрації електромагнітного випромінювання (ЕМВ), що відбивається або випромінюється земною поверхнею.

До переваг методів ДЗЗ перш за все слід віднести те, що отримання інформації відбувається бездеградаційним шляхом, тобто без будь-якого втручання в об'єкт дослідження. По-друге: методи ДЗЗ характеризуються великою обзорністю (здатністю одночасно отримувати інформацію з великих площ), що дозволяє виявляти та досліджувати явища та процеси, які неможливо спостерігати з невеликої відстані. По-третє: на відміну від людського ока, яке сприймає ЕМВ лише в дуже вузькому діапазоні довжин хвиль (так званий видимий діапазон), різноманітні сенсори, що використовуються в системах ДЗЗ, здатні реєструвати ЕМВ у багатьох діапазонах спектру - видимому, інфрачервоному, мікрохвильовому та радіодіапазоні, що значно підвищує їх інформативність та розширює коло вирішуваних задач.

Нижче наведено порівняльний аналіз системи ДЗЗ та АФЗ.

ДЗЗ	АФЗ
Вартість збільшується пропорційно до збільшення площі - Дані отриманні тільки у цифровому вигляді + Хмарність створює певні перешкоди, період повторного отримання даних 3 дні - Мінімальна площа замовлення не обмежується виробником + Відсутня необхідність у погодженні для проведення знімання + Найбільша просторова роздільна здатність 40 см - Отримують зображення одразу в декількох спектральних діапазонах + Можливість отримання мозаїки району робіт за короткий проміжок часу + Через розповсюдження полярних орбіт супутників напрямок отримання зображення тільки з півночі на південь - Середній строк отримання зображення після замовлення складає 7 діб, за несприятливих умов 1 місяць + Швидкість та зручність обробки даних в камеральних умовах + Можливість замовлення одного цілого фрагменту без необхідності і зшивки окремих знімків +	Вартість збільшується не так стрімко з збільшенням площі + Дуже розповсюджені плівкові аерокамери що вимагають додаткової обробки - Літак літає нижче хмар, повторне знімання можна виконати наступного дня + Не рентабельне для малих площ - Процедура планування та погодження для виконання робіт і дуже складна і займає багато часу - Роздільна здатність декілька см + Необхідно використовувати складне додаткове обладнання - Отримання мозаїки займає багато , часу - Напрямок отримання зображення вибирає замовник + Строк поставки залежить від доступності літака і погодних умов - Трудомістка - Необхідність зшивання знімків в один фрагмент -

1. Загальні вимоги і зміст цифрових топографічних карт і планів

топографічний супутник космічний знімок

Цифрова топографічна карта є цифровою моделлю місцевості записаною на машинному носієві у встановлених структурі та кодах, у прийнятій проекції, розграфлені, системі координат і висот, що за точністю і змістом відповідають топографічній карті певного масштабу.

Цифровий топографічний план - це цифрова модель місцевості, що сформована з урахуванням законів картографічної генералізації у прийнятих для планів проекціях, розграфлення, системі координат та висот і записана на магнітних (оптичних) носіях.

Незалежно від призначення, форми та масштабу топографічні карти повинні задовольняти такі основні вимоги:

- достовірно і з відповідною до масштабу точністю й повнотою відображати стан місцевості на рік створення карти в діючих умовних знаках;

- забезпечувати визначення з відповідною до масштабу точністю прямокутних та географічних координат, абсолютних і відносних висот об'єктів місцевості, їх кількісних та якісних характеристик, а також давати можливість проводити інші картометричні роботи;

- бути зведеними по рамках за всіма елементами змісту між суміжними аркушами карт одного масштабу;

- бути узгодженими за основними елементами змісту між аркушами карт суміжних масштабів;

- бути наочними і зручними в користуванні, давати можливість сприйняття та оцінки інформації про місцевість та орієнтування на ній.

Загалом, незалежно від методу створення та оновлення, цифрові топографічні карти повинні відповідати таким основним вимогам:

- забезпечувати можливість автоматизованого визначення даних про місце розташування об'єктів та їхніх характеристик;

- містити цифрове значення кількісних та якісних характеристик і кодів об'єктів у прийнятій системі класифікації і кодування картографічної інформації;

- мати таку структуру подання інформації, яка б забезпечувала можливість внесення змін і доповнень, конвертування у топологічні і описові формати геоінформаційних систем та пошарове виділення елементів змісту карт.

Основними складовими цифрової карти є координатна система і набір елементарних графічних об'єктів, що відображають місце розміщення просторових обрисів відповідних реальних об'єктів чи явищ.

На топографічних картах, з відповідною масштабу карти точністю та генералізацією зображуються:

- математичні елементи;

- пункти геодезичної основи;

- гідрографія та гідротехнічні споруди;

- населені пункти;

- промислові, сільськогосподарські та соціально-культурні об'єкти;

- дороги та дорожні споруди;

- рельєф;

- рослинний покрив та ґрунти;

- кордони та межі;

- відомості про схилення магнітної стрілки.

На топографічних планах достовірно і з необхідним ступенем точності, в залежності від масштабу плану, зображуються:

- населені пункти,

- окремі будівлі, промислові,сільськогосподарські, культурно-побутові об'єкти та об'єкти комунального господарства,

- дорожня мережа (залізні, шосейні та грунтові дороги, стежки) та дорожні споруди,

- гідрографія та гідротехнічні споруди;

- рельєф місцевості,

- рослинний покрив і грунти,

- кордони і огорожі.

На планах має бути забезпечена одноманітність відображення однотипних елементів місцевості на всій ділянці зйомки.



2. Сучасні засоби ДЗ

2.1 Існуючий стан систем збору даних ДЗ

Сучасний стан розвитку характеризується покращенням основних характеристик апаратури ДЗЗ та якості даних: збільшення просторового та радіометричного розрізняння; зростання можливостей ведення стереозйомки; покращення геометричних характеристик зображень; поширення мультиспектральних можливостей; збільшення смуги огляду, точності визначення координат об'єктів та висоти рельєфу (будування цифрового рельєфу місцевості), удосконалення технологій обробки; збільшення швидкості передачі даних; широке використання мережних технологій и можливостей мережі Інтернет тощо.

Якість даних, одержуваних у результаті дистанційного зондування, залежить від їх просторового, спектрального, радіометричного і часового розрізнення.

Просторове розрізнення

Характеризується розміром пікселя (на поверхні Землі), записуваного в растрову картинку - може варіюватися від 1 до 1000 метрів.

Спектральне розрізнення

Дані Landsat включають сім смуг, у тому числі інфрачервоного спектру, в межах від 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion апарату Earth Observing-1 здатний реєструвати 220 спектральних смуг від 0.4 до 2.5 мкм, зі спектральним розрізнення від 0.1 до 0.11 мкм.

Радіометричне розрізнення

Число рівнів сигналу, які сенсор може реєструвати. Звичайно варіюється від 8 до 14 біт, що дає від 256 до 16 384 рівнів. Ця характеристика також залежить від рівня шуму в інструменті.

Часове розрізнення

Частота прольоту супутника над цікавить областю поверхні. Має значення при дослідженні серій зображень, наприклад при вивченні динаміки лісів. Спочатку аналіз серій проводився для потреб військової розвідки, зокрема для відстеження змін в інфраструктурі, пересувань супротивника.

Методи й техніка дистанційного зондування ґрунтуються на реєстрації поглинутої, відбитої або випромінюваної енергії, що надає специфічних характеристичних ознак основним компонентам біосфери. Розглянемо основні типи систем дистанційного зондування.

Реєстрація г- випромінювання

Метод ґрунтується на вимірюванні природного короткохвильового (л < 2 • 10-10 м) г-випромінювання присутніх у земній корі або в сніговому покриві радіоактивних елементів - природних радіоізотопів 40К, 238U, 208Ti. У звичайному ґрунті 90% г - випромінювання утворюється в 20-сантиметровому поверхневому шарі.

Фотографічні системи

В основі техніки повітряної фотографії лежить створення на фотоплівці зображень земної поверхні з авіаносіїв та супутників. Звичайно використовують чорно-білі панхроматичні, чорно-білі інфрачервоні, кольорові та кольорові інфрачервоні плівки. Фотографічні системи здатні створювати зображення об'єктів навколишнього середовища з високим рівнем розділення; застосування техніки багато спектральної фотографії дає змогу отримати додаткову специфічну інформацію, на яку меншою мірою впливають температура й вологість навколишнього середовища. Фотографічні системи, що встановлюються на літаках, здатні забезпечити знімки з висоти близько 20 км; розміри площі, яка фотографується, можуть досягати 30 на 50 км2.

Відеографічні системи

Застосування відеокамер дає змогу створювати та записувати зображення у видимій, близькій та середній інфрачервоній областях спектра. Перевагою відео систем є невисока вартість, створення та накопичення послідовних зображень будь-якого процесу. До недоліків цієї техніки можна віднести невисоке просторове розділення.

Багатоспектральні сканери

Принцип дії цих систем полягає в реєстрації спектрального відбивання об'єктами навколишнього середовища на певних спектральних ділянках видимого та інфрачервоного спектра (0,3...14 мкм). Ці ділянки можуть бути або широкими (близько 0,2 мкм), або вузькими (менше 0,01 мкм). Прилади багато спектрального сканування, що встановлюються на супутниках, дають змогу отримати інформацію з роздільною здатністю близько 10 м, скануючи при цьому території розміром 60...185 км. Перевагою багато спектральних сканерів є здатність використовувати вузькі спектральні ділянки й отримувати інформацію в цифровій формі.

Теплові сенсори

Всі матеріали здатні посилати інфрачервоне випромінювання, зумовлене молекулярними коливаннями. Це теплове інфрачервоне випромінювання реєструється за допомогою техніки, схожої на багато спектральне сканування, але в діапазоні 8...14 мкм. Характер зображення при цьому залежить від температури об'єкта та його випромінювальної здатності. Теплові сенсори, які встановлюються на авіаносіях, що зондують об'єкти на невеликих висотах, забезпечують високу роздільну здатність (близько метра), тоді як на супутниках теплові сенсори розділяють простори розмірами 700...900 м. Сучасні прилади теплового зондування здатні реєструвати різницю температур близько 0,4 К. До недоліків слід віднести вплив метеорологічних умов на результати вимірювань; зондуванню ґрунту піддається лише шар товщиною 2...4 см.

Надвисокочастотні (НВЧ) локатори

Цей тип техніки дистанційного зондування передбачає використання електромагнітних хвиль в області 0,1...2 м (що відповідає частотам від 100 МГц до 50 000 Мгц). НВЧ локаторні системи можуть бути активними (коли об'єкт дослідження опромінюється з подальшою реєстрацією відбитого випромінювання) і пасивними (коли реєструється природне випромінювання об'єкта). Принцип дії дистанційного зондування земної поверхні за допомогою локаторів полягає у вимірюванні її діелектричних властивостей, що значною мірою залежать від вмісту вологи й температури ґрунту, нерівності земної поверхні, рівня снігового покриву, типу рослинних покривів і впливають на відбивальні та випромінювальні параметри, що вимірюються. НВЧ локація дає змогу визначати положення, рух та природу віддалених об'єктів. Серед основних типів локаторів, що застосовуються при дистанційному зондуванні, слід виділити локатори зображення, вимірювачі розсіяного випромінювання, висотоміри, НВЧ радіометри. Завдяки високій проникності НВЧ випромінювання через хмари та листя локатори здатні створювати зображення земної поверхні в дрібних деталях. Альтернативним локатору зображення є локатор з синтетичною апертурою (ЛСА). Принцип дії такого локатора показано на рис. 14.1, де наведено взаємне положення літака з локатором та об'єкта спостереження. В точці 1 об'єкт знаходиться поза діаграмою опромінювання локатора; в точках 2 і 3 об'єкт потрапляє в цю область; в точці 4 він знову зникає з зони спостереження локатора. Тобто об'єкт з'являється в системі реєстрації локатора лише протягом певного проміжку часу. Під час цього проміжку відбитий сигнал заноситься в пам'ять бортового комп'ютера. Всі таким чином записані сигнали дають змогу реконструювати повну картину всіх об'єктів, що опромінювалися локатором з достатньо вузькою апертурою (звідси термін «синтетична апертура»).

Слід зауважити, що сигнали локатора, які надсилаються у процесі руху літака, набувають зсуву до високих частот, тоді як сигнали, що посилаються назад, набувають зсуву до низьких частот завдяки допплерівському ефекту. Реєстрація та аналіз цих зсувів дає можливість точно визначати істинне просторове положення наземних об'єктів. Техніка локаторів з синтетичною апертурою достатньо складна й дорога, але її можливості зумовлюють найширше застосування. До переваг локаційних приладів можна віднести високу роздільну здатність, до недоліків - вплив рослинного покриву та нерівності ґрунту на сигнал, що реєструється.

Лазерні системи

Дистанційне зондування на основі лазерів полягає в опромінюванні об'єктів навколишнього середовища та реєстрації відбитого від об'єкта або розсіяного від нього лазерного випромінювання. Прилад для дистанційного зондування компонентів біосфери називають ЛІДАРом (від англійської фрази Light DetectionAnd Ranging). Наведемо основні типи лідарів. Лідар на основі реєстрації диференційного поглинання Метод ґрунтується на реалізації істотної залежності коефіцієнта об'ємної екстинкції від довжини світлової хвилі. В основу роботи диференційного лідара покладено принцип опромінювання об'єкта, що контролюється, світлом із різними довжинами хвиль. Випромінювання з однією (л0) довжиною хвилі, що збігається з лінією поглинання об'єкта (газу чи забруднення), поглинається об'єктом, тоді як випромінювання з іншою (лw) довжиною хвилі, далекою від лінії поглинання, набуває пружного розсіювання (рис. 14.2). Критерієм оцінки забруднення атмосфери є відношення сигналів, що реєструються на обох довжинах хвиль. Лідар такого типу отримав в англомовній літературі назву DIAL(Differential Absorption Lidar) або DAS (Differential Absorption and Scattering).

Допплерівський лідар

Суть ефекту Допплера полягає в тому, що при опромінюванні об'єкта, який рухається з швидкістю V, світлом певної довжини хвилі л відбувається розсіювання світла, причому частота (довжина хвилі) розсіяного світла залежить від швидкості руху об'єкта. Лідар на основі реєстрації флуоресценції Багато компонентів атмосфери демонструють здатність флуоресціювати. Методи флуоресцентного лазерного зондування дуже чутливі через малі тиски атмосфери, при яких відсутні зіткнення молекул, що гасять флуоресценцію. Лідар на основі реєстрації комбінаційного розсіювання Якщо розсіювання світла речовиною супроводжується помітною зміною частоти світла, що розсіюється, то його називають комбінаційним (абораманівським). Цей тип розсіювання оптичного випромінювання включає втрату або одержання кванта коливальної енергії молекулою. Йдеться про не пружне світлове розсіювання, коли фотон, що падає, має енергію значно більшу, ніж енергія, яку коливальний квант втрачає за збудження молекули; залишок енергії розсіюється як фотон зі зменшеною частотою. Перевагою методу є те, що спектральні комбінаційні зсуви специфічні для кожної молекули; інтенсивність кожної лінії пропорційна концентрації кожного компонента; вузькі спектральні лінії та комбінаційні зсуви обмежують вплив прямого та розсіяного випромінювання; метод характеризується просторовим і часовим розділенням. Недоліком цього методу дистанційного зондування є малий поперечник розсіювання, що потребує використання потужних лазерів та складних колімаційних систем.

2.2 Комерційні супутники високої та надвисокої роздільної здатності

За детальністю зазвичай розділяють системи ДЗЗ надвисокої (< 0,5 м), високої (0,5-5 м), середньої (5-50 м), низької (50-500 м) та наднизької (> 500 м) просторової розрізненості. У різних джерелах зазначені діапазони дещо розрізняються, наприклад, надвисока розрізненість - 0,3-0,9 м, висока - 1-50 м (причому виділяють такі піддіапазони: відносно висока - 20-40 м; висока - 10-20 м, дуже висока - 1-10 м), середня - 50-200 м, низька - 300-1000 м та наднизька - більш 1000 м.

KOMPSAT-2 проводить зйомку у видимому й інфрачервоному діапазонах спектру з дозволом 1 м в панхроматичному і 4 м в мультиспектральному режимах з можливістю отримання стереопар. Ширина смуги зйомки складає 15 км. Положення супутника на сонячно-синхронній орбіті заввишки 685 км забезпечує його проходження над одним і тим же районом Землі з періодичністю 1 раз на 3 дні.

Відмінною особливістю KOMPSAT-2 є великий час безперервної зйомки - до 120 000 кв. км (533 сцени) на одному витку. Супутник також обладнаний бортовим записуючим пристроєм, здатним записувати до 15 000 кв. км зйомки.

Основні технічні характеристики КА KompSat-2:

Дата запуску 28.07.2006, Малайзія

Орбіта: Сонячно-синхронна ранкова

висота, км - 685

нахил, град - 98.1

період обігу, хв. - 98.5

час перетинання екватора, годину - 10:50

платформа:

знімальна апаратура - MSC

кути відхилення, град - ± 45

Термін активного існування, років - 5

Період повторного спостереження, діб - 3

Потужність, Вт - 955

Розмір КА, м Ч м - 2.6 Ч 2.0

Маса КА, кг - 800

Спектральні діапазони, мкм панхром: 0,50-0,90

Синій: 0,45-0,52

Зелений: 0,52-0,60

Червоний: 0,63-0,69

Ближній інфрачервоний: 0,76-0,90

Динамічний діапазон, біт - 10

Роздільна здатність на місцевості (панхр. режим), м - 1

Роздільна здатність на місцевості (мультиспектр. режим), м - 4

Ширина смуги захоплення, км - 15

Основні галузі використання даних, отриманих з КА KompSat-2:

- створення і оновлення топографічних карт і планів масштабів до 1: 5 000;

- створення цифрових моделей рельєфу (ЦМР) високої точності;

- інженерні вишукування для будівництва об'єктів інфраструктури транспортування та видобутку нафти і газу;

- виконання лісовпорядних робіт, інвентаризація і оцінка стану лісів;

- інвентаризація сільськогосподарських угідь, створення планів землекористування;

- створення планів міст та схем територіального планування муніципальних районів;

- інвентаризація та моніторинг стану транспортних, енергетичних та інформаційних

- спостереження за природними лихами;

- контроль використання природних ресурсів;

- проведення наукових досліджень в різних областях;

- рішення прикладних задач.

Супутник GEOEYE-1 відрізняє надвисоке просторове розрізнення в панхроматичному режимі (0,41 м - рекордна для комерційних супутників), висока точність прив'язки знімків, а також дуже висока продуктивність зйомки. Супутник володіє високою маневреністю, що дозволяє отримувати великий обсяг даних за один проліт. Точність зйомки в плані - 3,5 м (CE90), в той час як стереозйомка досягає точності 2,8 м (LE90) по висоті без застосування опорних точок.

Основні технічні характеристики КА GEOEYE-1:

Дата запуску 06.09.2008, США

Орбіта: Сонячно-синхронна ранкова

висота, км - 684

нахил, град - 98.0

період обертання, хв. - 98.0

кількість витків на добу - 14.7

час перетинання екватора, годин - 10:50

платформа: SA-200HP

кути відхилення, град - ± 50

Термін активного існування, років - 7

Період повторного спостереження, діб - 1-3

Потужність, Вт - 3862

Розмір КА, м Ч м - 4.4 Ч 2.7

Маса КА, кг - 1955

Кут поля зору, град - 1,28

Спектральні діапазони, мкм панхром: 0,45-0,8

Синій: 0,45-0,51

Зелений: 0,51-0,58

Червоний: 0,65-0,69

Ближній інфрачервоний: 0,78-0,92

Розмір елемента PAN, мкм - 8

Розмір елемента MS, мкм - 32

Динамічний діапазон, біт - 11

Роздільна здатність на місцевості (панхр. режим), м - 0,41 (поставляється 0,50 із-за обмежень Уряду США)

Роздільна здатність на місцевості (мультисп. режим), м - 1,64

Ширина смуги захоплення, км - 15,2

Основні галузі використання даних, отриманих з КА GeoEye-1:

- створення фотопланів масштабу 1: 5 000, 1: 10 000 для землеустрою, інвентаризації земель, кадастру;

- топографія та оновлення карт, інфраструктури геопросторових даних.

- створення цифрових моделей рельєфу (цмр) високої точності;

- територіальне планування та містобудування, вивчення використання територій, оцінка земель, оновлення топографічної основи, виявлення порушень землекористування;

- лісовпорядкування, лісове господарство, оцінка наслідків лісових пожеж, снеголома, вітровали, контроль за вирубками, виявлення незаконних вирубок.

- інженерні вишукування при будівництві доріг, мостів, портів, гідротехнічних споруд;

- гірнича справа, оновлення маркшейдерських карт і планів;

- спостереження і контроль за будівництвом, станом інженерних споруд;

- створення геоінформаційних систем;

- безпека, оборона, просторова розвідка.



3. Технологічна схема створення топографічних карт за матеріалами космічного знімання

3.1 Загальна схема створення топографічних карт

Згідно з наведеними вимогами для виконання експериментальних робіт з оновлення топографічної карти із використанням даних ДЗЗ застосовується загальноприйнята технологічна схема

Размещено на http://www.allbest.ru/



Збір, аналіз та вивчення вихідних матеріалів полягає в аналізі наявних матеріалів (карт, планів, цифрових моделей, місцевості і рельєфу, даних лазерного сканування, польових вимірювань тощо) на даний район робіт з метою подальшого їх використання при створенні цифрової карти або плану.

Створення планово-висотної основи полягає в прокладанні геодезичними методами мережі точок з відомими координатами та створення їх абрисів для подальшого використання при геометричній корекції знімків.

Замовлення матеріалів космічного знімання виконуються в основному групою підприємств та установ, для діяльності яких потрібні детальні та достовірні карти певної території. Це органи місцевої влади, органи управління адміністративних утворень, підприємства сільського, лісового чи водного господарства, підприємства видобувної промисловості, енергетики, дорожнього господарства та трубопровідного транспорту.

Радіометрична корекція полягає у налаштуванні яскравості, контрастності та різкості зображень для їх кращого візуального сприйняття.

Геометрична корекція - це процес усунення похибок за нахил знімку, лінійних спотворень на знімку. Може виконуватися методами афінних, проективних, поліноміальних перетворень, RPC-поліномів або раціональних поліномів.

Ортофототрансформування - це перетворення знімка (який знаходиться в центральній проекції) в ортогональну проекцію, тобто зображення в заданому масштабі, вільне від спотворень за кути нахилу знімка та з допустимими спотвореннями за рельєф.

Після всіх цих процесів виконується створення самої цифрової векторної карти. Вона складається з шарів, кожен з яких містить певний тип об'єктів місцевості (геодезичні пункти, гідрографія, рослинність, будинки та ін.) створення виконується в інтерактивному режимі за участю оператора та необхідного програмного забезпечення, який за допомогою нього оцифровує необхідні об'єкти та вносить їх атрибути.

Польова перевірка результатів дешифрування полягає у порівнянні об'єктів, розпізнаних на знімку оператором з реальними об'єктами на місцевості і внесення необхідних змін на карту.

3.2 Аналітичні моделі оброблення космічних знімків

Для корекції супутникових знімків з високою просторовою розрізненістю, як правило, використовують дві категорії методів:

- параметричні;

- непараметричні.

Параметричні методи базуються на комплексній математичній моделі, яка використовує візуальну геометрію сенсора, внаслідок чого відновлюється просторове положення сукупності променів, що сформували знімок.

Параметричну модель будують після встановлення таких даних:

- траекторія носія (аналог лінійних елементів зовнішнього орієнтування для знімків центральної проекції);

- орієнтація сенсора (аналог кутових елементів зовнішнього орієнтування);

- геометрична модель сенсора (аналог елементів внутрішнього орієнтування).

Геометрична модель сенсора задає напрямний вектор променя, який реєструється кожним сенсором у системі координат, що узгоджується з сенсором. Слід враховувати, що залежність між координатами на місцевості й на зображенні порушується при геометричній корекції знімків, тому для обробки в межах цього підходу придатні тільки зображення, що зазнали лише радіометричної корекції.

Цей метод обробки можна застосовувати до знімків SPOT, EROS, QuickBird (продукт рівня Basic), ASTER.

Прикладом параметричної моделі є паралельно-перспективна модель, при цьому передбачається рівномірність і прямолінійність руху носія та незмінність його орієнтації на ділянці формування знімка. Застосування також модель DLT (Direct Linear Transformation) і її модифікації; афінна модель, яка враховує, що системи високого дозволу мають вузьке поле зору; поліноміальні моделі.

Недоліками параметричних моделей є:

- показники точності вихідних продуктів у більшості випадків нижче, ніж при застосуванні строгої геометричної моделі або RPC (3 - 10 м);

- для обчислення параметрів моделі необхідно мати достатню кількість опорних точок (від 4 до 30). При зйомці рівнинної місцевості чи побудові ортофотозображень по зображеннях, зробленим в надирі, точність вихідного зображення при застосуванні параметричних моделей може бути такою ж, як і при застосуванні методу RPC.

DLT (Direct Linear Transformation)

Використовуючи геометричну корекцію можна легко ортотрансформувати початковий знімок за допомогою методу DLT. Для цього потрібно тільки 6 наземних точок прив'язки, після чого координати знімка представляються як функція координат карти для кожного пікселя ортовиправленого зображення, приведеного в ту ж систему координат, що і карта, після чого проводиться дискретизація методом «найближчого сусіда» (метод дискретизації зображень, при якому елемент вихідного зображення формується на основі параметрів його найближчих пікселів).

Вперше метод DLT був застосований в 1971 році Абдель Азізом Аль-Карара. Метод застосовується для трансформації знімка в проекцію місцевості. Рівняння DLT виглядає таким чином:

Це рівняння з 11 параметрами дозволяє трансформувати координати точки на знімку в проекцію місцевості. Нехтуючи третьою координатою це рівняння набуває наступного вигляду:

де x і y - координати точок на знімку, а (X, Y, Z) - координати точок на місцевості (наземних контрольних точок).

Вирішуючи це рівняння можна знайти всі 11 параметрів. Спочатку всі 4 координати на карті мають бути визначені, після чого для кожного пікселя зображення, приведеного в тій самій системі координат, що і карта, визначається значення «сірого» за допомогою функції трансформації DLT і відбувається його повторна дискретизація методом «найближчого сусіда» (метод дискретизації зображень, при якому елемент вихідного зображення формується на основі параметрів його найближчих пікселів). Необхідно відмітити, що нам необхідна ще і третя координата, яка обчислюється з готової ЦМР.

Точність орторектифікованих космічних зображень крім застосовуваної геометричної моделі трансформування, також багато в чому залежить від точності ЦМР. Чим вище точність ЦМР, тим точнішим буде отримане зображення.

Непараметричні методи є альтернативою попередньому підходу. Вони встановлюють залежність між пікселями на зображеннях та їх місцеположення на земній поверхні й ґрунтуються на двох кубічних поліномах.

Модель RPC

Модель RPC використовує коефіцієнти кубічних поліномів для виконання трансформації координат земної поверхні (довготи Р, широти L, висоти H) в координати зображення окремого знімка. Вона узагальнює модель сенсора, включаючи 2D і 3D-поліноміальні моделі, моделі проекційного та лінійного трансформування. Перехід «місцевість - знімок» має такий вигляд:

де і - нормалізовані координати точки місцевості в системі координат знімка (рядок, стовпчик - у пікселях).

- нормалізовані координати точки в системі координат місцевості (довгота, широта - в градусах, висота - у метрах).

- поліноми третього ступеня.

Кожен поліном має такий вигляд:

+.

Ця раціональна функція 3-го степеня з 20-ма коефіцієнтами дозволяє трансформувати точку з системи координат об'єкта до системи координат зображення. У випадку, коли опорні точки при обчисленні RPC не використовувалися, застосування точок польової підготовки для уточнення RPC і отримання більш точних результатів при трансформуванні обов'язкове. Опорні точки використовуються для корегування значень коефіцієнтів RPC-моделі, щоб уточнити положення кожного елементу зображення. Результати обробки, які постачаються із знімками, але покращені наземними опорними точками (GSPs), доводять залежність геометричної точності від якості додаткових даних, що використовуються під час орторектифікації, і від кількості наземних точок.

Метод, оснований на RPC, широко використовується спеціалістами в галузі фотограмметрії та обробки даних ДЗЗ, завдяки тому, що його взяли на озброєння для обробки даних ДЗЗ у компаніях DigitalGlobe і SpaceImaging (GeoEye).

Недоліки RPC:

а) можливість наявності систематичної помилки, що досягає 50м, в орторектифікованому зображенні при використанні RPC без опорних точок.

б) RPC задані щодо еліпсоїда WGS-84, а в більшості випадків вихідні дані (опорні точки, ЦМР) і одержане орторектифіковане зображення визначені в деякій місцевій системі координат, при цьому параметри зв'язку якої з іншими системами невідомі.

3.3 Створення та оновлення топографічної карти за матеріалами космічного знімання

Сьогодні на орбіті знаходяться супутники, що повністю задовольняють вимогам щодо створення та оновлення топокарт та топопланів.

Основні вимоги до знімків дуже високого розрізнення наступні:

- висока роздільна здатність - не гірше 1 м у панхроматичному режимі;

- висока радіометрична здатність - не менше 11 біт на піксел у панхроматичному режимі;

- наявність не менше 4 спектральних каналів, у тому числі одного інфрачервоного;

- роздільна здатність мультиспектральної зйомки - не гірше 4 м;

- можливість одержання стереозйомки;

- можливість відновлення картографічного матеріалу масштабу не гірше 1:5000 і створення топокарт масштабу не гірше 1:10000;

- періодичність одержання даних на одну і ту же область на земній поверхні не більше 3 діб;

- можливість здійснення моніторингу певних територій і районів з періодичністю не менше 4 разів на рік;

- ширина смуги захоплення повинна складати не менше 8 км;

- можливість одержання «перспективної» зйомки з відхиленням від надиру до 30 градусів.

Космічні знімки високої роздільної здатності можуть впевнено застосовуватись для створення ортофотопланів масштабу 1:10 000 при складанні або оновленні контурної частини топографічних карт цих масштабів, зокрема, знімок KOMPSAT-2 з роздільною здатністю 1 м. З деякими обмеженнями дешифрувальних можливостей, але без збитку точності можна говорити про їх використання для складання або поновлення планів в масштабі 1:5000 за допомогою знімку GeoEye-1 з роздільною здатністю на місцевості 0,5м.

Основні вимоги щодо створення цифрових карт в масштабі 1:10 000

На топографічних картах масштабів 1:10 000 показуються:

- математичні елементи карт;

- геодезичні пункти;

- гідрографія і гідрографічні спорудження;

- населені пункти;

- промислові, сільськогосподарські і соціально-культурні об'єкти;

- дороги і дорожні спорудження;

- рельєф;

- рослинний покрив і ґрунти;

- границі.

На топографічних карт масштабу 1:10 000 відповідно до основних положень по створенню топографічних карт зазначених масштабів і діючих умовних знаків повинні бути нанесені наступні об'єкти:

- пункти головної геодезичної основи і знімальної мережі;

- населені пункти, окремі будинки і спорудження, пам'ятники, монументи, скульптури і місця поховань;

- промислові і сільськогосподарські об'єкти, а саме: заводи, фабрики, майстерні, електростанції, вітряні млини, шахти, штольні, кар'єри, підвали, торф'яні і соляні розробки, бурові, нафтові, газові й інші вишки і шпари, склади пального, бензоколонки і заправні станції, трансформаторні будки, лінії електропередачі і зв'язку, водо-, газо-, і нафтопроводи, телевізійні і радіолінійні вишки, загони для худоби й ін.;

- залізниці і спорудження при них, у тому числі будинку вокзалів, станцій, роз'їздів, депо, будки, блокпости і т.п., платформи і вантажно-розвантажувальні площадки, сімафори і світлофори, тонелі, підпірні стінки, насипи і виїмки, поворотні кола, тупики і т.п.;

- автостради, шосейні і ґрунтові дороги, тропи, мости, труби і переправи;

- гідрографічна мережа: берегові лінії морів, річки, озера, водоймища, границі і площі розливів і створюваних водоймищ, водоспади, пороги й ін.;

- об'єкти гідротехнічні, водного транспорту і водопостачання: канали,

канави, водорозподільні пристрої, вали і дамби, греблі, набережні, береги з укріпленими і неукріпленими скосами, шлюзи, водомірні, посади, пристані, моли і причали, якірні стоянки, хвилеломи, маяки, постійні знаки берегової сигналізації, колодязі різних типів, фонтани, гейзери, і т.п.;

- рослинність деревна (з показом просік і номерів лісових кварталів), чагарникові, напівчагарникові, трав'яні, мохові і лишайникові, культурні (парки, фруктові і цитрусові сади, виноградники, ягідники, плантації технічних культур, рисові поля), а також ріллі, городи і т.п.;

- оголені ґрунти, у тому числі щебеневі, глинисті і кам'яні поверхні, піски, кам'яні розсипи;

- мікроформи земної поверхні: купинясті, полігональні горбисті;

- болота, солончаки;

- політико-адміністративні границі і заповідники;

- різноманітні огорожі;

- рельєф місцевості, зображений у горизонталях, висотних оцінках

характерних точок місцевості й умовних знаків обривів, ярів, вимоїн, зрушень, осипів, кратерів вулканів і грязьових вулканів, скель, курганів, ям, карстових і псевдокарстових лійок, печер, задернованих уступів, пологів, сніжників, фірнових полів, крижаних мов із тріщинами, моренами й ін.

Для відтворення характерних деталей рельєфу місцевості, що не виражаються в горизонталях основного перетину, повинні застосовуватися додаткові (напівгоризонталі) і додаткові горизонталі.

Зображення рельєфу доповнюється характеристиками відносних висот (глибин) форм рельєфу, що виділяються, підписами горизонталей і показниками напрямку схилів.

Топографічні об'єкти місцевості, що не виражені в даному масштабі, повинні позначатися внемасштабними умовними позначками.

Контур рослинності і ґрунтів зображуються на карті, якщо в даному масштабі вони займають площу:

4 мм2 і більше - що мають значення орієнтирів;

10 мм2 і більше - коштовні в господарському відношенні;

25 мм2 і більше - інші контури.

Нечітко виражені на місцевості границі суміжних угідь передаються без контуру поступовим переходом умовних знаків.

Оновлення топографічних карт здійснюють з метою приведення їх змісту відповідно до сучасного стану місцевості та вимог чинних нормативно-технічних документів.

Топографічні карти оновлюють за матеріалами нових аерокосмічних знімань або за сучасними картографічними матеріалами. Періодичність оновлення топографічних карт залежить від фізико-географічного районування території, техногенного навантаження та кількості змін на місцевості і становить:

· для промислово-розвинутих густонаселених територій - 5-7 років;

· для сільськогосподарських середньонаселених територій - 8-10 років;

· для гірських, лісових і степових малонаселених територій - 10-15 років.

Враховуючи, що графічна точність карти становить 0,2 мм (у масштабі карти), отримаємо такі вимоги до точності відображення контурів (масштаб-точність): 1:10000 - 2 м; 1: 5000 - 1 м;.



4. Технологічна схема оновлення топографічної карти за матеріалами космічного знімання

4.1 Загальна схема оновлення топографічних карт

Висновок

Сучасний рівень розвитку ДЗЗ вищий, ніж рівень фотограмметричної технології оброблення знімків, яка використовується при топографічному картографуванні території України. Широке застосування методів ДЗЗ для цілей топографічного картографування є одним з основних завдань нашої галузі. Для вдосконалення технології створення та оновлення картографічних матеріалів необхідно розробити методичні основи використання даних космічних знімань спеціально для топографічного картографування територій. Зокрема, це стосується методики дешифрування аерокосмічних зображень та класифікації об'єктів місцевості, що розпізнаються на космознімках. Зважаючи на невпинний розвиток інформаційних технологій та появу все досконаліших програмних засобів, актуальною задачею також є розроблення методів класифікації даних для автоматизованого розпізнавання образів об'єктів місцевості.



Список використаної літератури

1. Основні положення створення та оновлення топографічних карт масштабів 1:10000, 1:25000, 1:50000, 1:100000, 1:200000, 1:500000, 1:1000000

2. Лимаренко В.В., головний спеціаліст НКАУ, к.т.н., c.н.с. Стан і тенденції розвитку ДЗЗ з космосу. Аналітичний огляд

3. Пиличева M.O. (Донецкий национальный технический университет) исследование методов трансформирования космических изображений

4. Пиличева M.O. Геометрична корекція космічних зображень

5. Створення цифрових моделей рельєфу на основі даних аерофотознімання Олег Часковський, Сергій Гаврилюк, Василь Костишин

6. Исследование точностных характеристик RPC-полиномов при обработке информации КА «Ресурс-ДКІ» А .Я. Романов

7. Готинян В.С., Красовський Г.Я. ДНВЦ «Природа», Київ

8. http://www.innoter.com/satellites/Kompsat-2/

9. http://www.innoter.com/satellites/GeoEye-1/

10. Світличний О.О., Плотницький С.В. Основи геоінформатики

11. Артамонов Б.Б. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища

Размещено на Allbest.ru

...