Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Белорусский Государственный Университет

Географический факультет

Кафедра почвоведения и геологии

Специальность ГИС

Отчёт по производственной практике

Фотограмметрическая обработка космических снимков

cо спутника QUICK BIRD

Минск, 2005



Введение

Учебная производственная практика проходила в период с 07.02.2005г. по 05.03. 2005г. В Республиканском унитарном предприятии « Проектный институт Белгипрозем», расположенного по адресу - г. Минск, ул. Казинца,86. электронный кадастровый карта снимок

Целью данной практики являлось ознакомление с деятельностью предприятия и, в частности, с выполнением работ и технологиями, применяемыми в техническом отделе института.

Основная задача производственной практики заключалась в изучении технологии обработки материалов дистанционного зондирования, а именно космоснимка со спутника QUICK BIRD, при проведении экспериментальных работ в УП Белгипрозем. В рамках этого были намечены задачи следующего плана:

1)рассмотреть особенности получения и обработки космических снимков со спутника QUICK BIRD;

2) оценить точность обработки космоснимков.

3) оценить пригодность и целесообразность использования ортоизображений, полученных на основе космоснимков высокого разрешения для создания ЗИС;



Глава 1. Республиканское унитарное предприятие проектный институт «Белгипрозем»

1.1 История становления и развития предприятия

Республиканский проектный институт по землеустройству Минсельхоза БССР (сейчас Республиканское унитарное предприятие “Проектный институт Белгипрозем”) с подчинением ему землеустроительных экспедиций, партий и отрядов был организован постановлением Совета Министров БССР 30 марта 1961 г. В перечень поставленных перед ним задач входили задачи коренного улучшения организации землеустройства, совершенствования технологии проектно-изыскательских работ, создания надлежащих условий для обеспечения колхозов и совхозов землеустроительной документацией.

В 1969 г. осуществлена организационная перестройка института: пять областных экспедиций были преобразованы в филиалы института "Белгипрозем", а Минская в качестве производственного отдела вошла в состав головной организации института.

В связи с ускоренным развитием производительных сил и совершенствованием производственных отношений, во всех отраслях народного хозяйства республики значительно возрастала роль земли как важнейшего средства производства и природного ресурса. Соответственно заметно усложнялись задачи землеустройства. Успешное решение их требовало дальнейшего укрепления и развития землеустроительной службы, т.ч. института "Белгипрозем".

После проведения общереспубликанской регистрации от 24 декабря 1996 года институт переименован в государственное предприятие "Проектный институт Белгипрозем", а в январе 2000 года перерегистрирован и переименован в Республиканское унитарное предприятие "Проектный институт Белгипрозем".

В настоящее время Республиканское унитарное предприятие "Проектный институт Белгипрозем" организационно включает головную организацию в г. Минске и пять Дочерних унитарных предприятий в гг. Бресте, Витебске, Гомеле, Гродно и Могилеве.

Внутренняя структура “Белгипрозема” представляется следующим образом:

- Администрация;

- Бухгалтерия;

- Плановый отдел;

- Сектор информационного программного обеспечения;

- Технологический отдел;

- Сектор по обслуживанию производства;

- Специальная часть;

- Энергослужба.

Технологический отдел в свою очередь состоит из 2 секторов и 6 отделов:

- Сектор аналитического и технологического контроля качества работ;

- Сектор разработки, апробации и внедрения новых технологий.

- Отделы №1,2,3,6 - проектно-изыскательские отделы;

- Отдел №4 - отдел почвенно-геоботанических исследований и агрохимических лабораторных иследований;

- Отдел №5 - отдел земельно-информационной системы и фотограмметрических работ.

На протяжении своего становления и развития в институте неуклонно укрепляется материально-техническая база, значительно усилилась оснащенность производства современным геодезическим, фотограмметрическим и электронно-вычислительным оборудованием, множительной техникой, совершенствуется технология проектно-изыскательских работ.

На современном этапе основными задачами «Белгипрозема» являются:

- дешифрирование аэрофотоснимков;

- почвенно-геоботанические исследования;

- составление цифровых моделей карт;

- инвентаризация городов;

- работы, связанные с отводом земель;

- работы, связанные с установлением границ земельных участков и изготовление госактов;

- составление схем землеустроительства и рабочих проектов;

- оптимизация землепользования сельскокохозяйственных предприятий, внутрихозяйственное землеустройство и оценка земель;

- прочие работы.

1.2 Структура и специфика работы Отдела земельно-информационной системы и фотограмметрических работ

Для изготовления земельно-кадастровых планов землепользований в 1996 году в Институте организован отдел земельно-информационной системы и фотограмметрических работ (отдел №5).

На современном этапе отдел №5 решает следующие задачи:

· создание, ведение и обновление покрытий ЗИС Республики Беларусь, которое включает в себя дешифрирование аэрофотоснимков, фотограммсгущение и построение ортофотопланов и цифровых моделей карт векторизацию рельефа;

· отвод и изъятие земель;

· создание цифровых и картографических материалов по растрам.

· создание земельно-кадастровых карт;

· оформление и выдача документов, удостоверяющих право на землю;

· занесение в БД данных о земельных участках;

· выполнение заказов юридических и физических лиц.

Изготовление цифровых кадастровых планов в отделе №5 осуществляется по материалам аэрофотосъемки. Для этого используются цифровые фотограмметрические станции DVP, в состав которых входит персональный компьютер и наблюдательная система. Создание цифровых кадастровых планов для населенных пунктов выполняется в масштабе 1:2000, а на земли сельскохозяйственного назначения и лесного фонда составляются планы в масштабе 1:10000.

Для плановой привязки аэрофотоснимков применяются универсальные стереофотограмметрические приборы SD 3000 и модули системы цифровой фотограмметрии Photomod 3.5, на которых выполняется сгущение планово-высотного обоснования (фотограмметрическое сгущение аэрофотосъемки).

Кроме выполнения работ по фотограмметрическому сгущению, указанные приборы и программные продукты используются для создания цифровых кадастровых планов.

Составление цифровых моделей карт и работы по вводу атрибутивной информации выполняются в ArcView, ArcInfo и Access.

Земельно-кадастровые карты создаются по районам и содержат информации о земельных участках, их границах и административно-территориальной принадлежности, распределении земель по категориям и видам прав на землю, землевладельцах и землепользователях, видах земель, а именно сведения:

- о дорогах и дорожных сооружениях (типы дорог, ширину, покрытие, название, кем обслуживается);

- о реках, озерах, водоемах, канавах (названия, направление течения, ширину канав);

- промышленных объектах;

- о коммуникациях: газо-, нефтепроводах, линиях электропередачи (давление, напряжение);

- о растительности: лесах, садах, лугах и т.п.

Земельно-кадастровые карты содержат также сведения:

- о населенных пунктах;

- о почвах

- о мелиоративном состоянии земель;

- зоны ограничений использования земель.

В организациях подведомственных Комитету по земельным ресурсам, геодезии и картографии земельно-кадастровые карты используются для решения следующих задач:

- формирование государственной статистической отчетности о состоянии и использовании земельных ресурсов;

- выполнение работ по массовому первичному государственному кадастровому учету земельных участков и государственной регистрации прав на них;

- составление документов, удостоверяющих право пользования, право пожизненного владения земельным участком и право собственности на земельный участок;

- подготовка материалов по предварительному согласованию места размещения народнохозяйственных объектов, изъятию и предоставлению земельных участков, их передаче в собственность, включение земельных участков в городскую черту, изменение границ административно-территориальных единиц;

- контроль работ по установлению (восстановлению) границ земельных участков;

- создания районных землеустроительных карт и планов землепользований.

В настоящий момент отделом земельно-информационной системы и фотограмметрических работ выполняются следующие работы:

- актуализация созданных земельно-информационных систем;

- создание земельно-информационных систем на районы, Ляховичский, Ганцевичский и Пховичский;

- отработка технологии создания почвенных карт, в том числе и с использованием аэро- и космоснимков;

- на объектах (районах), находящихся в данный момент работе, на произвольно выбранных участках создается рельеф по регулярной сетке точек и структурным линиям (бровки, насыпи и т.п.) для определения состояния старения рельефа, отраженного на топографических картах и пригодности его для создания ортофотопланов масштаба 1: 10 000.



Глава 2. Создание растровой основы для электронных кадастровых карт

В отделе по земельно-информационным системам и фотограмметрической обработке РУП «Белгипрозем» проводятся работы по созданию и ведению электронных кадастровых карт районов. Основным назначением электронных карт является учёт землепользований, а также выдача правоудостоверительных документов и выкопировок на земельные участки. В этой связи выполняется ряд организационных и технических мероприятий по созданию растровой основы для районных землеустроительных карт.

Растровая основа для каждого района создаётся либо по результатам аэрофотосъёмки, либо путём сканирования топокарт масштаба 1:10000 на жёсткой основе. Поскольку проведение аэрофотосъёмочных работ является дорогостоящим мероприятием и занимает много времени, то в большинстве случаев растровая основа создаётся с использованием имеющегося картографического материала.

На момент прохождения производственной практики выполнялись работы по созданию растровой основы на территорию Пуховичского района путём сканирования номенклатурных листов масштаба 1:10000 разграфки 1942 г. и привязки растра к системе координат 1963 г., т.к.

Весь процесс создания цифровой топографической основы можно разделить на 3 этапа:

подготовительные работы;

сканирование;

привязка растра.



2.1 Подготовительные работы

На этапе подготовительных работ осуществляется подбор планшетов номенклатурных листов, покрывающих всю территорию района. Для этого используется специальный проект MapNet, созданный в среде ArcView специалистами РУП «ИЦЗЕМ.

В этом проекте представлена карта административно-территориального деления республики Беларусь, границы геодезических зон, а также разграфка и номенклатура топографических карт СК-42 и СК-63. Таким образом, путём совмещения тем можно определить, в какой геодезической зоне находится конкретный район, и какие номенклатурные листы топокарты указанного масштаба покрывают его территорию. В результате получают схему расположения номенклатурных листов масштаба 1:10000 на территорию конкретного района. По этой схеме осуществляется подбор планшетов в техархиве.

2.2 Сканирование

Сканирование выполняется на сканере UMAX формата А3 и осуществляется при помощи утилиты TWAIN для импортирования изображения в Photoshop. TWAIN - это межплатформенный интерфейс для получения изображения путём сканирования. Порядок выполнения работы:

1. Загружаем Photoshop: команда Файл - Импортировать- TWAIN

2. Выполняем сканирование. В открывшемся окне настроек устанавливаем параметры сканирования: разрешение 300 dpi, цветовая палитра - 256 градаций серого. В окне Scanning выбираем Preview для предварительного сканирования, чтобы оценить качество изображения и при необходимости откорректировать положение планшета.

3. Сохранение результатов в формате *tiff

Отметим что, программа Photoshop позволяет редактировать цвет, яркость, контрастность и другие характеристики изображения.

2.3 Трансформирование растрового изображения

Трансформирование выполняется для устранения искажений, допущенных при сканировании, а также для привязки изображения к системе координат.

Привязка осуществляется путём вставки растра в вектор, при этом указывается точка на растре и соответствующая ей точка на векторе. Выбираются точки с известными координатами, в качестве которых используются пересечения километровой сетки и углы рамок трапеций. Вектор представляет собой изображение рамок трапеций масштаба 1:10000 на территорию района разграфки 1942г. с указанием номенклатуры и километровой сетки квадратов, преобразованные в СК-63.

Весь комплекс работ по привязке растра выполняется посредством программного комплекса AutoCad c использованием приложения AutodeskMap. Парядок трансформирования описан ниже.

Загрузить рамки трапеций (ram_42(63).dwg) и километровую сетку (km_42(63).dwg).Команда:Файл-Открыть.

Выбрать нужную рамку, увеличив её. Выполнить команду Image-Insert для вставки соответствующего растрового изображения. В открывшемся окне Image Correlation установить значение поля Rotation равным 0 и выбрать Pick, после чего необходимо указать примерное место вставки растра.

Поместить изображение на задний план. Для этого необходимо выделить его (Shift + щелчок левой кнопкой мыши) и щелчком правой кнопки мыши выбрать Send to back.

Выполнить команду Image-Correlate-Robbersheet («растянуть на лист»). Откроется окно Robbersheet; в поле Polynom указать степень полинома, значение которого на должно быть больше 2. Нажать Add, чтобы приступить к выбору точек. При этом курсор примет вид перекркстья (+).

Активизировать функцию OSNAP (в нижней части экрана), чтобы курсор автоматически устанавливался в центр перекрестий рамок и километровой сетки. Установить курсор на угол рамки сначала на растре, а затем на векторе. Указать таким образом все четыре угла трапеции. Для привязки дополнительно можно использовать перекрестья километровой сетки и пересечение рамки и сетки. После выбора всех точек нажать Enter.

В окне Robbersheet появятся результаты привязки по точкам в метрах. Допустимая величина расхождения не должна превышать 2 метра или 0,2 мм в масштабе 1:10000. При больших расхождениях точки с ошибками, превышающими допуск, исключают из обработки. Однако следует иметь в виду, что точки по углам рамки исключать нельзя. Если необходимо, можно добавить новые точки, нажав Add, либо повторить ввод точек, отменив текущие результаты (Ctrl+Z). Для подтверждения результатов нажать OK.

Выполнить дополнительный контроль по крестам километровой сетки на растре и на векторе, которые должны совпадать.

Обрезать зарамочное оформление. Команда: Image-Crop-Polygonal. Наметить курсором точки по углам рамки и нажать Enter.

Сохранить изображение: Image-Export-Image. В открывшемся окне выбрать Uncompressed и нажать Next, в следующем окне Stripped +Next; в последнем открывшемся окне активизировать поле Burn in rotation, поставить флажок напротив Worldfile, для сохранения файла привязки изображения, нажать Next для завершения.

Результаты привязки сохраняются в отдельную папку Results

Таким образом, при вставке изображения каждый номенклатурный лист будет автоматически помещаться в соответствующую ему рамку трапеции. После привязки всех растров получим интегрированную цифровую топографическую карту района, которая будет использована для последующей оцифровки.



Глава 3. Современные средства и способы получения снимков высокого разрешения. Характеристики съёмочных систем

С точки зрения создания и ведения электронных кадастровых карт данные дистанционного зондирования представляют большой интерес. Однако для этих целей могут быть пригодны только материалы, полученные с использованием высокодетальных оптико-электронных технологий, т.е. с пространственным разрешением 1 м и меньше. В этой связи важно иметь представление об особенностях получения и обработки сканерных снимков, а также о продуктах производных от них.

Съёмка со спутника производится при помощи специальных оптико-электронных приборов, или сканеров. Регистрация данных производится на специальную цифровую матрицу. Съёмка ведётся по узкой полосе местности при использовании ПЗС-линеек. При этом каждая строка изображения формируется из своего центра проектирования. Законы центральной проекции применимы только к одной строке, а в целом изображении эти законы не действуют. В каждый момент времени выполняется съёмка нескольких полос одновременно из одной точки: первая полоса - съёмка в надир; вторая - вперёд; третья - назад. При этом изображение каждой полосы фиксируется на отдельном носителе. Такой способ получения изображения обуславливает особенности обработки сканерных снимков.

Рассмотрим характеристики сканерных съёмочных систем.

К основным геометрическим характеристикам относятся:

- пространственное разрешение на местности - это минимально различимый размер географического объекта. Оно может быть низким (более 100 м), средним (10 -100 м) и высоким (менее 10 м). Пространственное разрешение зависит от размера детектора, от фокусного расстояния оптической системы, от высоты орбиты носителя.

- угол поля зрения - угол между крайними лучами съёмки, который зависит от фокусного расстояния, размеров детекторов и их числа в линейке

- ширина полосы обзора, которая зависит от угла поля зрения, высоты орбиты, направления обзора.

К основным радиометрическим характеристикам относятся:

- спектральное разрешение - указывает, какие участки спектра электромагнитных волн регистрируются сенсором (видимый свет, коротковолновое излучение и т.д.). Различают панхроматическую и многозональную съёмку. Панхроматические данные получают в одном спектральном диапазоне (чаще в широком видимом участке спектра). Многозональная съёмка производится в 3,4,5 и более спектральных зонах и содержит информацию о качественном составе объектов.

- радиометрический диапазон разрешения - это яркостные характеристики объектов, определяются числом уровней квантования (в битах).

Различают также временное разрешение - это периодичность съёмки, с которой сенсор может снимать некоторый участок Земли. Периодичность съёмки зависит от ширины полосы обзора, параметров орбиты носителя, возможностей отклонения направления обзора.

С положением спутника в пространстве связаны такие параметры как, высота орбиты спутника над поверхностью эллипсоида, угол наклона спутника (измеряется относительно центра изображения), азимут спутника (положения спутника относительно центра изображения), азимут солнца (измеряется по часовой стрелке от северного направления, в градусах) высота солнца (измеряется от центра картины, которому соответствует центральный пиксель, в градусах).

В настоя щее время на орбитах функционирует 17 спутников ДЗЗ высокого разрешения гражданского и двойного на значения, созданных как в рамках национальных, так и международных программ. В настоящее время действуют национальные космические системы ДЗЗ высокого разрешения: Landsat-7 (США), Terra (EOS AM-1) (США), OrbView-3 (США), EO-1 (США), MightySat II.1 (Sindri) (США), IKONOS-2 (США), IRS-1C (Индия), IRS-1D (Индия), TES (Индия), SPOT-4 (Франция), EROS-1A (Израиль), RADARSAT-1 (Канада), ERS-2 (Европа), Zi Yuan-1 (CBERS-1) (Китай, Бразилия), Zi Yuan-2 (Китай), KompSat-1 (Южная Корея), QUICK BIRD-2 (США).

Рассмотрим технические характеристики некоторых из них.

Основные характеристики спутника TES Орбита - околокруговая, солнечно-синхронная Высота орбиты, км - 570 Наклонение - 97,780 Периодичность наблюдения, сут - 3 Масса ИСЗ, кг - 1108 Срок активного существования - не менее 3 лет Пространственное разрешение съемочной аппаратуры, м - 1 Вид сканирования - электронный Возможность перенацеливания - обеспечивается

Основные характеристики спутника OrbView-3:

Высота орбиты, км: 470

Наклонение: 97,25 градусов

Период повторения съемки, сут.: 1-3

Состав целевой аппаратуры: Оптико-электронный комплекс панхроматической и многозональной съемки

Спектральные диапазоны в режимах, мкм:

- панхроматическом 0,45-0,9

- многозональном 0,45-0,52; 0,52-0,6; 0,63-0,69; 0,76-0,9

Пространственное разрешение в режимах, м:

- панхроматическом 1

- многозональном 3,28

Полоса захвата (надир), км: 8

Площадь кадра, км2: 64

Стереосъемка вдоль и поперек орбиты

Наведение:

- вдоль орбиты ±50 градусов

- поперек орбиты ±50градусов

Более детально остановимся на описании спутника QUICK BIRD-2 американской компании DigitalGlobe. Поскольку с обработкой снимка с этого спутника связано проведение экспериментальных работ в УП «Белгипрозем». Кроме того, запуском QUICK BIRD-2 18 октября 2001г. был ознаменован новый этап в развитии космических средств ДЗЗ - спутниковые системы вышли на “полуметровый рубеж” пространственного разрешения.

Тактико-технические характеристики спутника QUICK BIRD-2 обеспечивают проведение как маршрутной, так и площадной съемки. Для точной ориентации и перенацеливания ИСЗ в пространстве использованы силовые маховики, звездные датчики, инерциальная навигационная система и GPS. Максимальная протяженность одного маршрута -- десять кадров, что при размере одного кадра 16,5x16,5 км составляет 165 км. Макси мальная площадь земной поверхности, которую можно снять за один цикл площадной съемки -- 2x2 кадра. Наземный комплекс управления и обработки включает в себя главный центр управления и обработки дан ных, расположенный в Лонгмоне, штат Колорадо (CША) и станции управления в Тромсе (Норвегия) и Фэр бенксе (Аляска)

Бортовой радиокомплекс передает данные на Землю в темпе съемки со скоростью 320 Мбит/с (60 кадров на витке). Если данные записываются на бортовое ЗУ (со скоростью 540 Мбит/с), то их сброс на приемные станции проводится позже в течение типового сеанса связи 8 мин.

Характеристики возможных вариантов заказа на проведение съемки с КА QuickBird-2 приведены ниже.



Глава4. Обработка сканерных снимков высокого разрешения

4.1 Первичная обработка

Первый этап обработки изображения обычно называют первичной обработкой, поскольку данный этап предшествует всем другим этапам работы над снимком. Объем первичной работы над изображением варьируется в зависимости от типа камеры и качества цифровых данных. Видами первичной обработки являются: сенсорная коррекция (System Correction), радиометрическая коррекция (Radiometric correction), коррекция угла Солна, коррекция полупрозрачной облачности, коррекция освещённости.

4.1.1 Радиометрическая коррекция

Извнстно, что объекты в разных частях изображения имеют различные спектральные характеристики вследствие неодинаковых условий съемки (угла обзора спутника в момент съемки, положения солнца, погодных условий). Все эти параметры учитываются при коррекции всех диапазонов мультиспектральных изображений. Следующая формула демонстрирует математическую связь, существующую между различными частями радиометрической коррекции:

О = (T^S + T*D*I) R^I +H*I

где O - отражение, обнаруженное сенсором; S - угол солнца; D - свет; I - сенсорный индикатор; T - освещенность падающего излучения; и R - отражение от объекта/поверхности; Н - облачность.



4.1.2 Коррекция полупрозрачной облачности

Из приведенной выше формулы следует, что условия облачности оказывают аддитивный эффект, в то время как угол солнца - мультипликативный. Именно поэтому изображение имеет меньшее количество дискретных чисел (пикселов), чем следует. В результате коррекции значение облачности аппроксимируется, а недостающие значения восстанавливаются для каждого пиксела снимка. Чем ниже значение прозрачности облачности на конкретном снимке, тем большая коррекция требуется. Формула для коррекции полупрозрачной облачности: DN = Vw + Vh где (DN) = предположительные нижние значения (в условиях отсутствия облачности, Vw) + искажения вследствие облачности (Vh). Таким образом, коэффициент облачности равен исходному значению пикселов DN минус нижние оценочные значения (в условиях отсутствия облачности, Vw).

4.1.3 Коррекция угла Солнца

В связи с тем, что в данном исследовании используется один и тот же снимок, полученный в определенный период времени, мы будем использовать «абсолютный», а не сравнительный анализ. Используя «абсолютный» анализ, коррекция угла солнца определяется как исходное значение DN деленное на синус угла стояния Солнца (этот угол известен из исходных данных, поставляемых со снимком дистрибьютором). Таким образом,

DN'= DN / sin (L)

Количество пикселов на выходе = количеству исходному количеству пикселов / Sin (угла стояния Солнца) (Формула 3), где угол стояния Солнца измеряется в градусах Следующие исходные данные поставляются со снимком для коррекции угла солнца:

Снимок Угол стояния Солнца Значение

1-й спектральный канал 41.34205 0.66055

Все снимки, прошедшие коррекцию полупрозрачной облачности, подвергаются коррекция угла солнца по формуле 3.

4.1.4 Коррекция освещенности от солнца

Излучение, поступающие от соответствующего пиксела (элемента) на поверхности земли в оптоэлектронную систему, установленную на спутнике, зависит от двух факторов: 1. Взаимное влияние соседних элементов поверхности земли (соответственно соседних пикселов на изображении). Оно очень сильно проявляется в случае использования данных низкого и среднего разрешения, однако в случае с данными высокго разрешения такое влияние несущественно, и им пренебрегают.

2. Влияние, которое оказывается элементами и частицами, содержащимися в атмосфере (дым, пыль, взвешенные частицы, слабая облачность в виде дымки.

4.1.5 Геометрическая коррекция

Геометрическая коррекция проводится с целью привязки изображения к системе координат местности. При этом применяется метод с использованием наземных контрольных точек. Численные значения (наземные координаты) вычисляются для наземных контрольных точек на снимке. После геопривязки осуществляется повторная выборка изображения. В процессе которой каждое численное значение (соответствующие координаты точек) исходного изображения пересчитываются и смещаются в новое положение на исправленном снимке.



4.2 Фотограмметрическая обработка снимков высокого разрешения

4.2.1 Методы фотограмметрической обработки

Для получения высокоточных выходных продуктов (фотопланов) недостаточно выполнения географической привязки снимка по опорным точкам; необходимо ортотрансформирование с учетом геометрической модели сенсора и цифровой модели рельефа. При этом применяют различные методы моделирования процесса съёмки.

1) с использованием строгой модели сенсорной съёмки;

2) с использованием модели камеры в виде коэффициентов рационашльного полинома (RPC);

3) с использованием аффинно-проективной модели (DLT).

Рассмотрим особенности каждого метода, их преимущества и недостатки.

Наиболее строгим подходом к фотограмметрической обработке сканерных снимков является моделирование процесса съемки, в результате которого восстанавливается пространственное положение совокупности лучей, сформировавших снимок. Этот метод подразумевает определение траектории носителя (точнее, сенсора; это аналог линейных элементов внешнего ориентирования в традиционной 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 съемки 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:

. (1)

где в числителях и знаменателях -- полиномы третьей степени

(2)

которые связывают нормированные координаты j_N, l_N, h_N точки местности с нормированными координатами xN, yN ее изображения на снимке.

Нормированные величины, получаемые из исходных значений с помощью линейного преобразования, по абсолютной величине не превосходят единицы, что повышает надежность 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, второй -- характерен для QuickBird. 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 путем вычисления этих коэффициентов является построение строгой модели и создание на ее 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. В комплект поставки некоторых типов снимков (точнее, продуктов ДЗЗ) с 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 не использовались при вычислении RPC, возможно применение точек полевой подготовки для получения поправок к соотношениям (1). Отсутствие четкой интерпретации этих соотношений затрудняет их уточнение; обычно ограничиваются аффинными поправками. 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, применение RPC обеспечивает получение продуктов почти такой же точности, как и при использовании строгой модели.

В меньшей степени для обработки сканерных снимков высокого разрешения пригодны 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 съемки: жесткие требования к точности выходного продукта делают недопустимо грубыми те приближенные предположения, на которых основаны соотношения, применяемые в данных методах. То есть разрабатывается реальная модель сенсора, которая не зависит от параметров камеры и её ориентации. Тем не менее, как показывает практика, в некоторых случаях при съемке равнинной местности или построении ортоизображений по снимкам, сделанным в надир, точность выходного продукта может быть такой же, как при использовании RPC.

Помимо необходимости иметь в наличии геометрическую модель оптической системы спутника, сам спутник также должен собирать информацию о собственном местоположении и ориентации в пространстве, а также об условиях съемки.

4.2.2 Продукты, получаемые на основе сканерных снимков

В зависимости от степени и точности первичной обработки снимков могут быть получены продукты, отвечающие различным требованиям.

Так, например, 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 съемки, 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; координаты опорных точек 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 8 м (около 6 м для территории США).

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.

Точность планового положения точек в этих документах характеризуется показателем CE90 (Circular Error at 90% probability), точность высот -- показателем LE90 (Linear Error at 90% probability).

4.2.3 Ортотрансформирование сканерных снимков с использованием цифровой модели рельефа

Полагают, что для получения ортоизобажения достаточно выполнить географическую привязку и аффинное преобразование исходного растра по нескольким опорным точкам без использования модели рельефа. Однако это не так. Причиной этого заблуждения является некорректный перенос представлений о возникновении смещений за рельеф на аэрофотоснимках и на случай сканерной съёмки.

Поясним необходимость применения цифровой модели рельефа при построении ортоизображения.

Топографическая аэрофотосъемка проводится 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 съемочные 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 ошибки DL, вызванной отклонением DH высоты этой точки от среднего значения (точнее, от высоты точек, использовавшихся для географической привязки снимка), вычисляется по очевидной формуле

DL = DH tga.

Приведены значения плановой ошибки DL в зависимости от характера рельефа местности (от равнинного до горного) и величины угла a. Выбор значений угла a для табл. 1 не является слу чайным. Снимки КА QuickBird, полученные при углах a<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 видно, при съемке равнинной местности ошибка определения планового положения контуров по снимку, прошедшему аффинную географическую привязку, может достигать десятков, а при съемке гор -- сотен метров. Таким образом, выполнение ортотрансформирования с учетом модели рельефа местности почти всегда (за исключением случаев съемки равнинной местности или использования надирных снимков, является необходимым условием получения выходных продуктов высокой точности.



Глава 5. Программа экспериментальных работ в УП «Белгипрозем» по обработке сканерного снимка со спутника Quick Bird

С целью проведения экспериментальных работ. В РУП «Проектный институт Белгипрозем» был заказан сканерный космоснимок высокого разрешения со спутника Quick Bird на территорию Минского района, охватывающий площадь 40 км².

Геометрическое разрешение снимка 0,6 м, т. е. в одном пикселе 60 см. Угол съёмки - 18,4⁰. Изображение относится к базовому (Basic Imagery). К такому изображению применяется строгая геометрическая модель сенсора.

Обработка сканерного снимка производилась в следующей последовательности:

1. Выбор опорных точек для обработки и контроля

2. Подготовка и загрузка цифровой модели рельефа (ЦМР)

3. Фотограмметрическая обработка снимка

На первом этапе осуществляется выбор точек для фотогамметрической обработки снимка. Подбор точек в данном случае выполнялся с использованием данных электронной карты ЗИС Минского района масштаба 1:2000. В основном в качестве опорных и контрольных точек выступали столбы линии электропередач, т. к их изображение наиболее отчётливо читалось на снимке. Координаты точек определялись по данным ЗИС и в системе 1942 года в шестиградусных зонах.

Всего было выбрано для обработки 35 точек, 12 из них являются опорными, а 23 - контрольными.

Данные о точках сведены в электронную таблицу с указанием номера, координат X,Y,Z, а также описания каждой точки. Эти сведения использовались для дальнейшего анализа точности обработки снимка.



5.1 Подготовка цифровой модели рельефа

При составлении карт масштаба 1:5000 и мельче с использованием данных ДДЗ высокого разрешения пригодна цифровая модель рельефа, полученная путём оцифровки горизонталей с сечением рельефа не менее 5 м, т.е. в пределах точности топокарт масштаба 1:10000. Обоснование этого утверждения представлено ниже.

Влияние рельефа можно установить из следующих соображений. Пусть на рис. N - подспутниковая точка, S - мгновенный центр, из которого выполнено сканирования строки изображения, A - точка местности на краю изображения.

Как следует из рисунка,

.

Потребует, чтобы величина смещения _h не превышала, 0,3 мм в масштабе создаваемого плана [1, п. 4.5], или 1,5 м. Подставив это значение вместо _h, найдем допустимое превышение:

.

Обрабатываемое изображение имеет размер 4,5 4,5 км и получено с высоты фотографирования порядка 450 000 км и с отклонением оптической оси сканера от трассы полета на 18,4 , так что

м.



С учетом этого допустимое превышение относительно средней плоскости трансформирования не может превышать

м.

В соответствии с требованиями той же Инструкции по фотограмметрическим работам, предельные погрешности определения высот по горизонталям не должны превышать Ѕ? от высоты сечения рельефа (п. 1.8, стр. 6). Следовательно, для построения цифровой модели рельефа могут быть использованы топографические карты с сечением рельефа через 5 м, т.е. масштаба не мельче 1:10000.

В данном случае снимки получены не в надир, а с отклонением оптической оси на 18,4. Их реальное геометрическое разрешение составит 0,61 / cos 0,65 м.

Таким образом, полученная цифровая модель рельефа была использована для построения ортофотоплана. Рекомендовано также задействовать ЦМР, построенную по аэрофотоснимкам масштаба 1:6000, т.к. точность определения высот по этой модели будет порядка 0,3 м то есть выше требуемой.

Исходя из требований, допустимые расхождения на опорных точках при внешнем ориентировании снимка не должны превышать 0,5 м, или 1 пиксель. Для контрольных точек эта величина составляет 2 м, или 4 пикселя. Оценка точности производилась на основе средней величины ошибок.

На основе оцифрованных горизонталей рельефа топокарты масштаба 1:10000 с сечением рельефа 5 метров выполнено построение матрицы высот в модуле Vector.

5.2 Фотограмметрическая обработка

Фотограмметрическая обработка снимка проводилась с использованием ЦФС Photomod. Порядок выполнения работы следующий:

1) Загрузить Photomod.

2) Создать новый проект. При этом задаются характеристики: сканерная съёмка, одиночный снимок.

3) Загрузить проект.

4) Измерение точек сети, внешнее ориентирование в модуле АТ

5) Выполнить построение ортофотоплана в модуле Mosaic

Выполнение работ по внешнему ориентированию снимка проводится в модуле АТ. При загрузке этого модуля на этапе «Обработка сети» доступна только закладка «Измерение точек сети», поскольку в данном случае обрабатывается одиночный снимок.

Все сведения по точкам (координаты, характеристика и описание) вносятся в таблицу, которая открывается при помощи иконки «Список точек». Когда все данные внесены, производится переход к непосредственному измерению точек при помощи иконки «Найти точку». При этом на экране отображается примерное местоположение каждой точки. Задача заключалась в уточнении и подтверждении положения точек.

На этом же этапе возможно исключение той или иной точки из обработки.

После измерения точек выполнялся переход на этап «Уравнивания».

В результате на экране отображался список точек, участвующих в обработке, и расхождения вычисленных и исходных координат в пиксельном и линейном выражении(dx, dy, ds). На основе полученных данных оценивается пригодность результатов обработки.

В случае, когда итоги уравнивания не удовлетворяют установленным требованиям, производится возврат на этап обработки и уточнение положения точек.

Кроме того, при неудовлетворительных результатах опорные точки могут переводится в разряд контрольных. Эта замена осуществлялась в таблице, отображающей перечень всех точек.

Важно также учитывать необходимость равномерного распределения точек на снимке, поэтому некоторые точки в местах скопления исключаются из обработки. При этом принимаются во внимание особенности места съёмки, а именно большие площади, покрытые лесом. Поэтому точки выбирались также вокруг контуров леса.

Итоговые значения ошибок по опорным точкам с учётом цифровой модели рельефа составили (см. также приложение 1 «Распределение точек опоры и контроля»):

Среднеквадратическая: 0,634 пиксель

Средняя: 0,586 пиксель

Максимальная: 0,886 пиксель

С учётом контрольных точек:

Среднеквадратическая: 3.104 пиксель

Средняя: 2,452 пиксель

Максимальная: 8.188 пиксель

Размер пикселя: 0,6 м

Недопустимые величины расхождений на отдельных точках, могут быть вызваны неточным определением координат выбранных точек на плане, а также нечётким изображением на снимке (даже при сильном увеличении).

Изготовление ортофотоплана выполнялось в модуле Mosaic. На закладке «Параметры мозаики» указывался источник данных для учёта высоты (т.е. путь к файлу, хранящему цифровую модель рельефа), разрешение, файл привязки, масштаб (1:5000). Осуществлялся контроль точности (Мозаика -контроль точности), при этом получены данных о расхождениях по точкам с учётом исправления за рельеф. Затем выполнено построение ортомозаики.

5.3 Оценка точности построения ортоизображения

После построения ортомозаики необходимо было провести анализ точности построенного ортоизображения. Для этого выполнялось наложение векторного плана (преимущественно в ArcView), а точнее слоя «виды угодий» ЗИС Минского района на растровую основу ортофотоплана в масштабе 1:2000 и 1:5000

Весь оцениваемый участок был разделён на несколько условных населённых пунктов, или деревень, сведения по которым были сведены в отдельную таблицу.

Задача при проведении оценки заключалась в следующем:

необходимо было выявить отхождения изображения на ортофотоплане от изображения на векторном плане. При этом выбирались наиболее характерные точки (углы заборов, столбы ЛЭП). Для этого была создана отдельная линейная тема «Ошибки», на которой отображались вектора отхождений. Начальная точка вектора устанавливалась на растровом изображении ортомозаики, конечная - на векторном плане. При этом учитывалась необходимость равномерного распределения погрешностей по всей площади. Точки подбирались на территориях населённых пунктов, поскольку векторный план для них создавался в масштабе 1:2000, поэтому точность измерений здесь выше, чем за пределами поселений.

Результаты оценки сведены в отдельную таблицу, распределение представлено на плане. Всего на ортофотоплане выбрано 80 точек. Результирующая средняя величина ошибки составила 3,112 м.

Оценка проводилась на основе допустимых значений средней величины ошибки, которая не должна превышать 0,5 мм в масштабе плана (или 1 м в масштабе 1:2000 и 2,5 м в масштабе 1:5000). Предельное значение ошибки допускается равным удвоенному значению средней величины. Допустимое значение расхождения могут принимать не более 10% всех выбранных точек.

Основные результаты работ:

Результаты проведённой оценки ортотрансформирования не удовлетворяют точности масштаба 1:5000. 53,7% точек находятся в интервале предельно допустимых значений, а 8,7% точек выходят за пределы допуска. Однако это приблизительные результаты. Поскольку точки для привязки снимка выбирались на плане масштаба 1:10000, точности которого не достаточно для определения плановых координат при создании карт более крупного масштаба. Тем не менее, средняя величина расхождения на опорных точках при ортотрансформировании значительно ниже расчётных данных и составляет ок. 30 см при допуске 2,5 м для масштаба 1:5000. Для точной фотограмметрической обработки снимка целесообразно проведение специальных съёмочных работ с использованием точной аппаратуры (GPS) для уточнения координат точек опоры и контроля.

Работы в этом направлении будут продолжены.

5.4 Перспективы использования сканерных снимков высокого разрешения

Сканерные космические снимки высокого разрешения пригодны для создания карт в масштабе 1:5000 и мельче, имеют преимущества перед материалами аэрофотосъёмки небольших участков, либо густонаселённых или приграничных территорий. К основным преимуществами таких снимков относятся: их небольшая стоимость по сравнению с проведением топографической аэрофотосъёмки, большая площадь охвата территории, высокое пространственное разрешение.

Можно выделить следующие прикладные задачи использования спутниковых снимков высокого разрешения для целей земельного кадастра:

- создание кадастровой документации на земли сельхозназначения, лесного фонда, природоохранных зон и природных ресурсов

- обновление электронных кадастровых карт.

- определение качества сельхозугодий

- выявление нарушений землепользования (точность 1м)

- сопоставление кадастровой информации по объектам, прошедшим регистрацию и их фактическим размерам и местоположения (точность 1м)

- определение состава изменений топографических карт для точной оценки работ по их обновлению

- проектирование населённых пунктов

- определение и оценка размеров экологических нарушений (свалки, разливы нефтепродуктов и т.д.)



Заключение

За время прохождения производственной практики в УП «Белгипрозем»

я приняла непосредственное участие в экспериментальных работах, связанных с обработкой сканерного снимка со спутника QUICK BIRD, которые проводились в отделе фотограмметрической обработки и земельно-информационнных систем. В рамках этого мероприятия я выполняла работы по выбору точек для внешнего ориентирования снимка, измерению точек на снимке и уравниванию сети в ЦФС Photomod, а также по оценке точности ортотрансформированного изображения с использованием программной сиситемы ArcView.

Кроме того, за время практики я освоила некоторые виды работ, выполняемые в отделе. Это сканирование топографических планов, для создания растровой основы, привязка растрового изображения в среде AutodeskMap. Я также ознакомилась с технологией трансформирования систем координат в среде ArcView и освоила процесс сканирования на современном сканере формата А0 CRYSTAL.

В итоге проведения экспериментальных работ мной получены и оценены результаты ортотрнсформирования сканерного снимка QUICK BIRD высокого разрешения, выявлены особенности получения и обработки таких снимков.



Список использованных источников

1) В.А. Горелов, Е.Л. Лукашевич, В.А. Стрельцов. Состояние и тенденции развития космических средств дистанционного зондирования высокого разрешения // Информационный Бюллетень.- 2002.- №4(36)

2) П.С. Титаров. Практические аспекты обработки сканерных снимков высокого разрешения // Информационный Бюллетень ГИС-ассоциации.- 2004.-№3 (45), №4 (46)

3) Томас П. Эйджер // национальное кадастровое агенство США. Перевод компании «Совзонд»

Размещено на Allbest.ru

...