Орторегион – новый продукт для создания топографических карт

      Комментарии к записи Орторегион – новый продукт для создания топографических карт отключены

Орторегион – новый продукт для создания топографических карт

№2(3), 2009 г.

А. В. Беленов, Б. А. Дворкин

Эксперты компании «Совзонд» завершили работу по созданию региональных ортомозаик на большую часть территории РФ с разрешением 2,5 м – ОРТОРЕГИОН.

В базе этого продукта лежат ортотрансформированные панхроматические снимки, полученные съемочной совокупностью PRISM, установленной на борту спутника ДЗЗ ALOS (Япония). Ортотрансформирование сцен выполнялось посредством коэффициентов рациональных полиномов (RPC) без применения наземных опорных точек (GSP), а в качестве информации о рельефе местности употреблялась открытая общедоступная цифровая модель местности SRTM.

Отдельные ортотрансформированные сцены «сшивались» в единое растровое поле с последующей нарезкой и выравниванием «тона» на отдельные фрагменты, покрывающие административные районы либо регионы РФ.

ОРТОРЕГИОН имеет следующие главные характеристики:

  • пространственное разрешение – 2,5 м;
  • цвет изображения – черно-белый;
  • актуальность – 2006-2008 гг.;
  • облачность – не выше 20%;
  • динамический диапазон – 8 бит;
  • пространственная привязка – мировая геодезическая совокупность WGS-84;
  • безотносительная точность – 10 м.

Продукт ОРТОРЕГИОН (рис. 1) есть дополнением к серии региональных ортомозаик РФ, создаваемых в компании «Совзонд» с применением космических изображений с пространственным разрешением 0,51 м и 10 м.

Рис. 1. Пример продукта ОРТОРЕГИОН (ортофотомозаика на Рузский район Столичной области)

Высокий уровень качества продукта ОРТОРЕГИОН разъясняется беспрецедентно высокой точностью значений RPC, сопровождающих каждую сцену съемки ALOS/PRISM (The Geometric Accuracy Evaluation Results of RPC (Ver.1.3), RESTEC), и применением в мозаике, по большей части, снимков с уклонением от надира в пределах 1,5° (PRISM NADIR).

Компания «Совзонд» обратилось к своим партнерам – ФГУП «Уралгеоинформ» (Екатеринбург), ООО «Тримм» (Пермь) и АО «Казгеокосмос» (Казахстан, Алматы) прося оценить фактическую точность созданной ортомозаики и ее изобразительные качества.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ФГУП «УРАЛГЕОИНФОРМ»

Разные подразделения «Уралгеоинформ» более пяти лет деятельно применяют космические снимки для создания и обновления топографических и тематических карт всего масштабного последовательности. Исходя из этого, приступая к тестированию, эксперты предприятия настороженно отнеслись к продукту ОРТОРЕГИОН, созданному без подробной информации и опорных точек о рельефе местности.

Для тестирования был выбран фрагмент ОРТОРЕГИОН на территорию Свердловской области площадью 4000 кв. км. Он был составлен из двух ортоснимков ALOS/PRISM от 7 сентября 2007 г. и 26 июля 2008 г., т. е. снимков, взятых с промежутком в один год, с различных орбит и с различными значениями RPC (рис. 2).

Рис. 2. Схема размещения контрольных вектора и точек невязок

Треть территории выбранного участка занята населенными пунктами, дорогами и сельскохозяйственными угодьями разных классов. Другая часть покрыта лесом, мелкими реками и озёрами, частично заболочена. Местность всхолмленная, с перепадом высот от 90 до 250 м.

Оценка ортомозаики проводилась по ее геометрической точности и изобразительному качеству в соответствии с нормативными требованиями, предъявляемыми к фотопланам масштаба 1:25 000, изложенными в Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических планов и карт (ГКИНП (ГНТА)-02-036-02).

Геометрическая точность проверялась по ее отклонениям планового положения контрольных точек на местности и снимках и по расхождениям контуров на смежных снимках.

На местности в качестве контрольных точек были выбраны углы домов и других строений, раздельно стоящие деревья, каковые надежно дешифрировались на ортомозаике фрагмента ОРТОРЕГИОН. Всего было выбрано 19 контрольных точек, плановые координаты которых были выяснены на местности посредством двухчастотного спутникового приемника GPS с точностью в плане 1 м и измерены на ортомозаике.

В следствии оценки среднее отклонение планового положения контрольных точек составило 4,91 м, а большое – 7,8 м. Наблюдался систематический сдвиг изображения на ортомозаике на +3,4 м в направлении на север и -2,0 м – на восток (рис. 2). Полученные значения отклонений в контрольных точках удовлетворяют требованиям, установленным в инструкции ГКИНП (ГНТА)-02-036-02, в соответствии с которой они должна быть не более 12,5 м (0,5 мм в масштабе фотоплана 1:25 000).

Для оценки планового расхождения контуров на смежных снимках употреблялись ортотрансформированные, но еще не объединенные в мозаику, снимки ALOS/PRISM. На левом и правом снимках в зоне перекрытия выбирались одноименные точки на четких контурах: углы строений, пересечения маленьких асфальтовых дорожек, отдельные деревья. Всего было выбрано 50 точек (рис.

3), координаты которых измерялись и сравнивались между собой.

Рис. 3. Схема размещения одноименных вектора и точек невязок

Среднее квадратическое отклонение координат составило 9,1 м, большое – -13,2 м, а систематический сдвиг был равным -5,5 м в направлении на север и -6,6 м – на восток. Эти значения не превышают допустимых значений, установленных инструкцией ГКИНП (ГНТА)-02-036-02 – 17,5 м (0,7 мм в масштабе 1:25 000 для равнинных и всхолмленных районов). На рис.

4 приведена иллюстрация смещения контуров на левом и правом ортотрансформированных снимках ALOS до создания мозаики.

Рис. 4. Согласование контуров на ортотрансформированных снимках ALOS до создания ортомозаики

Оценка изобразительных качеств продукта ОРТОРЕГИОН осуществлялась визуально. Исследования продемонстрировали, что мозаика воспринимается единым изображением однообразной тональности, стыки смежных снимков не заметны (рис. 4). Помимо этого, фактически отсутствуют вертикальные полосы от соседних элементов линеек ПЗС съемочной камеры PRISM, что очевидно читалось на ранних снимках ALOS/ PRISM в 2006 г.

На основании взятых результатов эксперты «Уралгеоинформ» сделали следующий вывод. Продукт ОРТОРЕГИОН возможно советовать в качестве фотоосновы для обновления топографических изготовления и карт второй картографической продукции масштаба 1:25 000 на равнинные и всхолмленные районы. Вопрос о его пригодности для картографирования горных районов требует дополнительных изучений.

Ввиду автоматической и фактически бесконтрольной технологии изготовления мозаики, для обнаружения случайных неточностей обработки космических снимков необходима проверка качества ортомозаики по нескольким контрольным точкам и по расхождениям контуров на смежных снимках. Такая проверка может являться последним этапом при изготовлении ортомозаики или входным контролем при покупке продукта ОРТОРЕГИОН разными организациями.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ КОМПАНИИ «ТРИММ»

Из снимков, каковые употреблялись для ОРТОРЕГИОН, экспертам компании «Тримм» для изучений было предоставлено два снимка на территорию г. его окрестностей и Перми (рис. 5) с 5% поперечным перекрытием и эти для пространственной привязки снимков к совокупности плоских прямоугольных координат Гаусса-Крюгера (СК-42, 10 территория).

Рис. 5. Расположение ортоснимков

Целью работы, выполненной экспертами компании «Тримм», являлась оценка геометрической точности ортоснимков по отклонениям координат контрольных точек на местности и снимках.

В качестве опорных и контрольных точек употреблялись наземные опознаки, координаты которых измерялись посредством двухчастотных приемников GPS в режиме «стремительная статика» с опорой на 5 пунктов триангуляции 2-3 класса муниципальный геодезической сети. В общем итоге были измерены на местности и снимке и приняты в обработку координаты 12 опознаков на левом снимке и 67 опознаков на правом снимке (рис. 6).

Рис. 6. Схемы размещения опознаков на снимках

В качестве математической модели связи совокупности координат системы и снимка плоских прямоугольных координат проекции Гаусса-Крюгера была принята модель конформного преобразования плоскости, обрисовываемая двумя параметрами сдвига, коэффициентом масштаба и углом поворота (преобразование Гельмерта).

Математическая обработка результатов измерений выполнялась в соответствии с предположением, что разности между измеренными координатами точки на снимке и ее координатами, измеренными на местности, являются суммой двух составляющих: систематической погрешности, обрисовываемой преобразованием Гельмерта, и аддитивной случайной погрешности с двумерным обычным законом распределения возможностей.

Оценка геометрической точности снимков осуществлялась в трех вариантах.

Без привязки по наземным опорным точкам. Привязка исходных растров выполнялась по координатам углов, предоставленных совместно со снимками. Все измеренные на снимках опознаки рассматривались как контрольные точки.

Средние погрешности положения контрольных точек составили 6,7-9,3 м, большая – 12,2 м. Главный вклад в неточность вносит систематический сдвиг, вызванный неточностью пространственной привязки растров.

С привязкой по одной наземной опорной точке. Параметры систематического сдвига оценивались по координатам данной точки. Скорректированные координаты контрольных точек вычислялись с учетом отысканных параметров сдвига.

Средние погрешности положения контрольных точек составили 2,6-2,8 м, большая – 6,5 м. Число радиальных погрешностей более пяти метров не превысило 5%.

С привязкой по нескольким наземным опорным точкам. По опорным опознакам оценивались четыре параметра преобразования Гельмерта и с взятыми значениями параметров вычислялись координаты контрольных точек. Число наземных опорных точек (опознаков) принималось равным – 2, 4, 8 и 16. Средние погрешности положения контрольных точек, в зависимости от числа опорных точек, составили соответственно: 2,25, 2,02, 1,92 и 1,87 м.

Во всех вариантах большие радиальные погрешности контрольных точек не превысили 5 м. Как видно из вышеприведенных данных, повышение числа наземных опорных точек более четырех не ведет к значительному увеличению точности.

Точность угла разворота и оценок масштаба преобразования Гельмерта и, следовательно, точность вычисления координат контрольных точек в значительной мере зависит от геометрии размещения наземных опорных точек на снимках. Опорные точки направляться выбирать по периметру снимка и на большом расстоянии друг от друга.

Анализ параметров преобразования Гельмерта двух исходных ортоснимков продемонстрировал, что они имеют фактически взаимный угол и одинаковый масштаб разворота, близкий к нулю. Учитывая это событие, «сшивка» растров ортоснимков в единый растр ортомозаики выполнялась с учетом лишь обоюдных сдвигов по столбцам и строкам растра, величины которых рассчитывались в двух вариантах:

  • привязка углов исходных изображений в совокупности координат СК-42;
  • по измерениям растровых координат связующих точек в зоне двойного перекрытия снимков.

В первом варианте разности геодезических правого углов и координат левого снимка преобразовывались в разности их растровых координат с применением номинального значения размера пикселя на местности, равного 2,5 м.

Во втором варианте сдвиг левого снимка относительно правого определялся по разностям растровых координат связующих точек в зоне двойного перекрытия снимков. В качестве связующих точек выбирались четкие контуры на местности, с уверенностью опознающиеся на обоих снимках. В общем итоге были измерены координаты 119 точек, достаточно равномерно распределенных по площади двойного перекрытия снимков.

Оценка точности сшивки растров выполнялась по измеренным координатам двух групп опознаков (12 на левом снимке, 15 – на правом), расположенных вблизи линии сшивки (рис. 7). Средний сдвиг двух групп опознаков ортомозаики, «сшитой» по координатной привязке, составил 5,3 м, по связующим точкам – 1,9 м.

Рис. 7. Размещение контрольных опознаков на ортомозаике (кресты голубого цвета – левый снимок, кресты красного цвета – правый снимок)

На основании выполненных изучений эксперты компании «Тримм» сделали вывод о высокой геометрической точности продукта ОРТОРЕГИОН, созданного по снимкам ALOS/PRISM на базе коэффициентов рациональных цифровой модели и полиномов рельефа SRTM.

ОРТОРЕГИОН возможно использован для обновления и составления топографических карт масштаба 1:25 000 без привлечения дополнительных данных.

Уточнение координатной привязки, ориентировки и масштаба ортоснимка кроме того по маленькому числу (4-8) опорных точек разрешает повысить его точность в несколько раз и применять для обновления и составления топографических замыслов масштаба 1:10 000. Для подтверждения этого вывода на ортоснимке, откорректированном по 8 опознакам, были измерены 200 углов многоэтажных строений с известными геодезическими координатами, снятыми с цифрового замысла города масштаба 1:500. По итогам статистической обработки данных средняя квадратическая погрешность определения координат углов строений по снимку составила 1,92 м, средняя радиальная погрешность – 2,48 м, большая радиальная – 4,87 м, что в полной мере удовлетворяет требованиям к точности топографических замыслов масштаба 1:10 000.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ АО «КАЗГЕОКОСМОС»

Оценка графической точности продукта ОРТОРЕГИОН экспертами АО «Казгеокосмос» проводилась методом вычисления разностей координат контрольных точек на ортомозаике и на карте масштаба 1:10 000. Карта была создана по данным аэросъемки камерой Vexcel UltraCamX с разрешением пикселя растрового изображения на земле 50 см и с применением наземных опорных точек. Карта имела точность в плане порядка 20-25 см (среднее квадратичное отклонение).

Векторные слои карты совмещались с растровым изображением ортомозаики (рис. 8) в прямоугольной совокупности координат UTM WGS84 (42 территория). В качестве контрольных точек выбирались четкие контуры векторного слоя карты, конкретно дешифрируемые на ортомозаике.

Были измерены координаты (X и Y) этих точек в shp-файле карты и на растровом изображении ортомозаики, вычислены разности (?X и ?Y) и смещения ?s (см. таблицу).

Рис. 8. Наложение векторных слоев карты на растровое изображение ортофотомозаики

Таблица. Результаты оценки точности геометрического положения контрольных точек

В следствии оценки было выяснено среднее значение отклонения положения контрольных точек в плане, которое составило 11,14 м. Согласно точки зрения экспертов АО «Казгеокосмос» такая точность разрешает применять ОРТОРЕГИОН при обновлении и создании карт масштабов от 1:25 000 (с применением для ортокоррекции наземных опорных точек) до 1:100 000 (без применения для ортокоррекции наземных опорных точек), а также в качестве картографической базы при исполнении разных тематических ГИС-проектов. Помимо этого, было отмечено, что по ортомозаике с уверенностью дешифрируются объекты, подходящие по классификатору к масштабу 1:25 000, а детальность в полной мере соответствует масштабу 1:20 000.

Основываясь на итогах изучений, выполненных экспертами из организаций – партнеров компании «Совзонд», возможно сделать следующий вывод. По своим чертям продукт ОРТОРЕГИОН может служить основой для: обновления топографических карт масштаба 1:25 000-100 000; создания тематических и навигационных карт; создания веб-приложений, применяющих космические снимки.

Напоследок напомним, что скоро развивающиеся разработки дистанционного зондирования все шире употребляются для ответа разных прикладных задач. Действительностью стало получение правильной пространственной информации без сбора наземных данных, что ведет к значительному сокращению денежных и, что время от времени более принципиально важно, временных затрат.

Создание Растровых Карт


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: