CC BY
374
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
УДК 528.7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ НА ТОЧНОСТЬ ОРТОТРАНСФОРМИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Александр Юрьевич Чермошенцев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА, тел. (960)798-55-06, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены вопросы оценки точности ортофотопланов, созданных по космическим снимкам сверхвысокого разрешения IKONOS и Worldview-1 с использованием цифровых моделей рельефа разной точности.
Ключевые слова: космические снимки, цифровая модель рельефа, ортотрансформирование, точность.
INVESTIGATION OF RELIEF INFLENCE UPON THE ACCURACY
OF VERY HIGH RESOLUTION SATELLITE IMAGES ORTHORECTIFICATION
Alexander Yu. Chermoshentsev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a postgraduate student, department of photogrammetry and remote sensing SSGA, tel. (960)798-55-06, e-mail: [email protected]
In the article accuracy assessment of orthorectified images WorldView-1 and IKONOS using digital elevation models of various densities is considered.
Key words: satellite images, digital elevation model, orthorectification, accuracy.
Обработка космических снимков сверхвысокого разрешения с целью определения координат точек местности с высокой точностью предполагает учет различных факторов, вызывающих смещения положения точек на снимке. Одним из основных таких факторов является рельеф местности. Значительные углы отклонения оптической оси космической съемочной системы от надира существенно «снижают» пороговое значение перепада высот, при котором смещениями точек под влиянием рельефа местности можно пренебречь.
В соответствии с требованиями, приведенными в инструкции [1], погрешности создания цифровой модели рельефа (ЦМР) не должны приводить к смещениям точек более 0,3 мм в масштабе ортофотоплана. Предельная величина этих погрешностей вычисляется по формуле:
tga
(1)
где а- угол отклонения проектирующего луча от вертикали; Mk - знаменатель масштаба создаваемой карты или плана.
k
58
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
Если перепад высот точек местности не превышает удвоенной величины АИпред, то для создания карт и планов заданного масштаба трансформирование снимков производится на среднюю горизонтальную плоскость. В остальных случаях необходимо выполнять ортотрансформирование снимков.
Поскольку космические снимки сверхвысокого разрешения используются главным образом для создания крупномасштабных фотопланов, приведем значения смещений точек на фотоплане масштаба 1 : 2 000 под влиянием рельефа для равнинной и всхолмленной территории (табл. 1).
Таблица 1
Ошибки планового положения (мм) точек на фотоплане масштаба 1 : 2 000 в зависимости от превышения точек над средней плоскостью и угла отклонения оптической оси от надира
Угол отклонения оптической оси от надира Превышение точек местности над средней плоскостью, м
2 5 10 15 20 25 30 50
5° 0,1 0,2 0,4 0,7 0,9 1,1 1,3 2,2
10° 0,2 0,4 0,9 1,3 1,8 2,2 2,6 4,4
15° 0,3 0,7 1,3 2,0 2,7 3,3 4,0 6,7
20° 0,4 0,9 1,8 2,7 3,6 4,5 5,5 9,1
25° 0,5 1,2 2,3 3,5 4,7 5,8 7,0 11,7
30° 0,6 1,4 2,9 4,3 5,8 7,2 8,7 14,4
Как следует из табл. 1, смещения, вызванные рельефом местности с перепадом высот 10 м и более, необходимо учитывать при трансформировании снимков, полученных со значительными углами (более 5°) отклонения оптической оси от надира.
Цифровые модели рельефа, используемые для обработки космических снимков, могут быть созданы:
- на основе построения геометрической модели местности по паре перекрывающихся космических снимков;
- с использованием геометрической модели местности, полученной по результатам аэрофотосъемки;
- по результатам векторизации горизонталей с топографической карты;
- по данным воздушного лазерного сканирования;
- на основе данных радарной съемки.
В настоящее время для получения стереопары космических снимков на заданную территорию необходимо предварительно сделать заказ на проведение стереосъемки. Поэтому на практике с целью обеспечения оперативности работ для ортотрансформирования в основном используются одиночные снимки и готовые ЦМР.
59
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
Возможность создания ЦМР по архивным аэрофотоснимкам ограничена из-за сложного доступа к таким материалам. Несколько проще получить топографические планы и карты крупного и среднего масштабов.
Создание ЦМР по данным воздушного лазерного сканирования на практике ограничивается стоимостью выполнения лидарной съемки.
Благодаря появлению общедоступных ЦМР Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), построенных по результатам радарной съемки, может быть решена проблема получения ЦМР для обработки космических снимков. Точность матрицы высот SRTM варьируется в зависимости от территории и для Евразии характеризуется максимальной ошибкой определения высот 6,2 м [3, 4].
Таким образом, выбор метода сбора исходной информации о рельефе для построения ЦМР с целью ортотрансформирования космических снимков сверхвысокого разрешения определяется главным образом требуемой точностью создания ортофотопланов и доступностью материалов. Цель данной работы заключалась в анализе возможности использования наиболее доступных ЦМР для ортотрансформирования космических снимков сверхвысокого разрешения.
В ходе исследований в программном продукте ENVI выполнена обработка двух космических снимков IKONOS и двух снимков WorldView-1 с пространственным разрешением 0,8 и 0,5 м на территорию населенных пунктов сельского типа с применением разных данных для построения ЦМР. Характеристика используемых материалов приведена в табл. 2.
Таблица 2
Средние квадратические ошибки определения планового положения контрольных точек по ортотрансформированным космическим снимкам
Снимок Перепад высот в пределах снимка, м Угол отклонения оптической оси от надира, градусы пред СКО планового положения контрольных точек mDL на фотоплане, м
Без ЦМР SRTM ЦМР, построенная по горизонталям с сечением, м
5 1
IKONOS 20 24 1,35 8,23 1,08 0,71 0,66
16 29 1,08 2,83 1,17 0,89 0,60
WorldView-1 17,5 9 3,79 6,15 0,82 0,49 0,46
17,5 22 1,49 1,31 0,91 0,68 0,68
Сначала по формуле (1) рассчитаны величины ДИпред, которые свидетельствовали о необходимости выполнения ортотрансформирования снимков IKONOS и WorldView-1. Обработка снимков производилась в следующих режимах: с использованием координат опорных точек без ЦМР, на основе координат опорных точек и ЦМР SRTM, по координатам опорных точек и ЦМР, полученной по
60
Аэрокосмические съемки и фотограмметрия
результатам векторизации горизонталей с топографической карты (Нсеч = 1 м). В последнем случае использовались две ЦМР, построенные по горизонталям, векторизованным через 1 и 5 м.
Точность привязки снимков с использованием RPC модели и 4 опорных точек, координаты которых определены спутниковыми геодезическими методами с максимальной ошибкой 0,15 м, составила 0,3-0,7 пикселя.
По результатам обработки снимков определены средние квадратические ошибки планового положения mDL 4 контрольных точек на ортотрансформированных снимках, полученных с использованием разных ЦМР (см. табл. 2).
Ошибки определения планового положения точек местности по снимкам, трансформированным без использования ЦМР, достигали 8 м. Применение ЦМР SRTM позволило добиться приблизительно одинаковой точности ортотрансформирования всех снимков (т^ не превысила 1,2 м, а максимальная ошибка DL составила 1,5 м). При использовании ЦМР, построенной по горизонталям с топографической карты с сечением рельефа 1 м, точность ортотрансформирования соответствует требованиям, предъявляемым к планам масштаба 1 : 2 000 (т^ = 1 м). При этом не наблюдается существенной разницы между результатами ортотрансформирования на основе ЦМР, созданных по горизонталям, векторизованным через 1 и 5 м.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что для высокоточного ортотрансформирования космических снимков сверхвысокого разрешения, полученных при больших углах отклонения оптической оси от надира, необходимо применение ЦМР, точность которой обеспечивает определение высот точек местности с погрешностями, не превышающими величину АИпред. Наиболее оптимальным способом сбора данных для построения ЦМР является картографический, целесообразность применения общедоступных ЦМР для ортотрансформирования космических снимков может быть оправдана при отсутствии других исходных данных о рельефе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ГКИНП (ГНТА)-02-036-02. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. - М.: ЦНИИГАиК, 2003. - 80 с.
2. Программный комплекс ENVI: учеб. пособие. - М.: Компания «Совзонд», 2007. -
265 с.
3. Farr, Tom G., Paul A. Rosen. The shuttle radar topography mission: Rev. Geophys, 2007.
4. Карионов Ю.И. Оценка точности матрицы высот SRTM // Геопрофи. - 2010. - № 1. -С. 48-51.
Получено 02.07.2011
© А.Ю. Чермошенцев, 2011
61
