Практически аспекти на фотограметричната обработка на скенерни космически изображения с висока разделителна способност
препис
2 За IKOOS и QuickBird геометрията на сензора не е публично достъпна; и в двата случая е възможно да се предостави този модел на софтуерни компании със специално споразумение, но тази практика не се използва широко, поне в момента. Като алтернатива на строгия подход към обработката се разглежда методът на рационалните функции, който се състои в прилагане на отношения от вида [2],[5],[6] x y = = P ( ϕ, λ, h 1 P2 ( ϕ, λ, h P3 ( ϕ, λ, h P ( ϕ, λ, h 4 ) ) ) ) (1) където числителите и знаменателите съдържат полином s от трета степен: i j k Pq ( ϕ, λ, h ) = aijkqϕ λh, q = 1,4 i= 0 j= 0 k= 0 i+ j+ k 3, които свързват нормализираните координати ϕ, λ, h на теренната точка с нормализираните координати x, y на нейното изображение в изображението. Нормализираните стойности, получени от първоначалните стойности с помощта на линейна трансформация, не надвишават единица по абсолютна стойност, което повишава надеждността на изчисленията по формули (1), (2). Коефициентите, включени в отношенията (2), се означават с общоприетото съкращение RPC, за което обаче има различни тълкувания: Rational Polynomial Coefficients and Rapid Positioning Capability; първият се прилага по-често за IKOOS [7], докато вторият е специфичен за QuickBird [10] (и стандарта SIF, използван от НАТО за обмен на изображения). Съотношенията (1), (2) имат по-скоро апроксимационен, отколкото моделиращ характер; като цяло е трудно да им се даде физическа интерпретация. Изчисляването на включените в тях коефициенти въз основа само на набор от референтни точки, първо, ще изисква много голям брой от тях (минималният набор, без излишни измервания, се състои от 39 точки!), и, второ, валидността на получените съотношения в области, които не са предоставениточките за полево обучение биха били силно съмнителни. Следователно, правилният начин за изчисляване на тези коефициенти е да се изгради строг модел и да се създаде на негова основа голям набор от точки с известни координати на земята (по-точно в пространството на обекта) и на изображението; този набор от своя страна се използва за дефиниране на RPC [2], [5], [6]. Някои видове изображения (по-точно, продукти за дистанционно наблюдение), доставени със сателитите IKOOS и QuickBird, включват предварително изчислени стойности на RPC коефициентите. Тези стойности се извличат от съществуващите геометрии на сензорите на Space Imaging и Digital Globe, измервания на траекторията във въздуха и телеметрия и, за високопрецизни продукти, референтни точки (които може да бъдат предоставени от клиента на продукта). Ако референтните точки не са били използвани при изчисляването на RPC, е възможно да се използват точки за подготовка на полето, за да се получат корекции на отношенията (1). Липсата на ясно тълкуване на тези взаимоотношения затруднява прецизирането им; обикновено се ограничават до афинни корекции [2]. Използването на по-сложни, например полиномни корекции от втора степен и по-висока, може да доведе до намаляване на надеждността на резултатите. Според представители на Space Imaging, Digital Globe и техните дистрибутори [5], [6], [11], използването на RPC осигурява продукти с почти същата точност, както при използване на строг модел. (2) 2
3 Добре познатият метод DLT (директна линейна трансформация), използването на афинни отношения на съответствие между терена и точките на изображението и други подходи от подобно естество, чиято същност е да се опрости моделирането на процеса на проучване, са по-малко подходящи за обработка на изображения от скенер с висока разделителна способност: строги изисквания за точностна изходния продукт правят онези приблизителни допускания, на които се основават съотношенията, използвани в тези методи, неприемливо груби. Въпреки това, както показва практиката, в някои случаи, когато се изследва равен терен или се изграждат ортоизображения от надирни изображения, точността на изходния продукт може да бъде същата като при използване на RPC. 3. Общ преглед на продукта Когато купувате данни от дистанционно наблюдение, важно е да изберете правилния продукт, който отговаря на вашите нужди; за съжаление, случаите на неоптимален избор на изображения не са толкова редки. Разгледайте този въпрос от гледна точка на пригодността на данните от дистанционно наблюдение за фотограметрична обработка на IKOOS Доставчиците на данни на IKOOS предлагат продукти от следните нива на обработка: - Гео: продуктите от тази група са подложени на най-малка геометрична корекция от всички налични данни на IKOOS; това са геореферирани изображения, сведени до картографска проекция без отчитане влиянието на релефа. Най-подходящият продукт за фотограметрични цели е Geo Ortho Kit, който се доставя с RPC. - Стерео: стереодвойка, получена от една орбита, със съотношението на базата на проучването към височината в обхвата. Референтните стерео продуктови изображения са ориентирани по орбитални данни, а прецизното стерео по GCP, предоставени от клиента (RMS на планови координати 0,9 m, RMS на определени височини 1,8 m). - Орто: продуктите от тази група са ортоизображения с различна точност (RMS на планираната позиция на точки от 11,8m до 0,9m); за да се получат продукти с най-високо качество, е необходимо да се осигури цифров релефен модел и контролни точки с подходяща точност. - ITM (IKOOS Terrain Model): цифров модел на терена. Така изходните данни за фотограметрична обработка могат да бъдатпродукти от Geo и Stereo групи, докато в първата група Geo Ortho Kit, съдържащ RPC, е за предпочитане (на същата цена), а във втората Reference Stereo (той е по-евтин от Precision Stereo и не изисква прехвърляне на референтни точки към доставчика на изображението) QuickBird Има следните видове продукти, базирани на QuickBird изображения: - Основни: това са изображения, получени от оригинални изображения в резултат на радиометрична корекция и корекция на геометрични изкривявания, въведени от самия сензор (например изкривяване на обектива). Именно за тези изображения е приложим строгият геометричен модел на сензора, достъпът до който е ограничен от Digital Globe. Въпреки това, в допълнение към параметрите на снимане, необходими за прилагането на строг модел, информацията, придружаваща изображението 3
4 включва RPC, които позволяват фотограметрична обработка на тези изображения с висока точност и без използване на затворен модел. - Стандартно: в допълнение към трансформациите, на които са подложени изображенията от базовото ниво, този продукт претърпява георефериране и геометрична корекция, за да се коригира частично влиянието на релефа, за което се използва DEM с ниска точност. The latter circumstance reduces the suitability of such images for photogrammetric processing (although RPCs are also included in the package, they provide less (compared to Basic) accuracy of orthoimages that can be obtained using them) - Standard Ortho Ready: similar to the Standard product, however, a rough DEM is not used for geometric correction, due to which the use of the supplied RPCs provides higher accuracy orthoimages; - Орто: Този продукт е орто изображение; референтни точки и DEM, за да го получите може да бъдепредоставени от клиента; в противен случай доставчикът на данни може да поеме задачата да ги получи. В последния случай стандартното отклонение на планираната позиция на точките върху ортоизображението ще бъде около 8m (около 6m за територията на САЩ). Според Digital Globe и неговите дистрибутори, най-добрите резултати от фотограметричната обработка се получават чрез прилагане на строг сензорен модел към изображения на основно ниво; когато се използва RPC, най-точното ортоизображение също ще бъде получено за продукта на основно ниво, малко по-лошо за Standard Ortho Ready и най-лошото за изображението на стандартно ниво [11]. Анализирайки описанията на продуктите Space Imaging и Digital Globe ([7], [10] и др.), трябва да се има предвид, че точността на планираната позиция на точките в тези документи се характеризира с CE90 (Кръгова грешка при 90% вероятност), а точността на височината от LE90 (Линейна грешка при 90% вероятност); тези характеристики се предоставят от американския стандарт MAS (US ational Map Accuracy Standard). С вероятност от 90%, разликата между планираната позиция на точка, измерена от продукта, характеризиращ се със стойността CE90, и нейната „истинска“ (например получена в резултат на високоточни полеви измервания) позиция няма да надвишава CE90. По същия начин, за 90% от точките, остатъчната височина няма да надвишава LE90. Индикаторите CE90 и LE90 са свързани със средноквадратичните грешки на планираната позиция σ r и височина σ h, както следва ([3], [4], а също и [1]): CE90 LE90 = = σ σ r h (3) метрични процеси като напр.орторектификация; Смята се, че за да се получи ортоизображение, е достатъчно да се извърши георефериране и афинна трансформация на оригиналния растер, като се използват няколко контролни точки, без да се включват модели на терена. Това мнение е неправилно. Косвено потвърждение за неговата погрешност може да бъде фактът, че доставчиците на данни позиционират ортоизображенията като отделен и доста скъп продукт в сравнение с останалите. Причината за това погрешно схващане е неправилното пренасяне на представите за появата на премествания извън релефа на въздушни снимки към случая на сателитни изображения. Топографската въздушна фотография се извършва в надир, като в същото време максималното изкривяване, причинено от 4
5 вариации във височината на заснеманата зона се появяват в краищата на изображението, когато се показват лъчи, които са най-отклонени от оптичната ос на обектива. Системите за изображения на космически скенери са оборудвани с дългофокусни лещи и записаният от тях лъч от лъчи наистина е много по-тесен, отколкото в случай на въздушна камера; обаче, ъгълът α на отклонение на оптичната ос от надира може да бъде десетки градуси. При определяне на планираното положение на точката на терена от изображението стойността на грешката L, причинена от отклонението H на височината на тази точка от средната стойност (по-точно от височината на точките, използвани за георефериране на изображението), се изчислява по очевидната формула L = H tgα. Таблица 1 показва стойностите на планираната грешка L в зависимост от характера на терена (от равен до планински) и големината на ъгъла α. Изборът на стойностите на ъгъла α за тази таблица не е случаен. Изображения с QuickBird, направени под ъгъл α Съгласен съм.