Успешная работа спутника WorldView-1 сделала возможным высокоточное картографирование на основе высокодетальных изображений с использованием наземных контрольных точек GCP и без них. Стереовозможности сенсора WorldView-1 позволили также получать высокоточные цифровые модели рельефа

Dr. Philip Cheng, старший научный сотрудник PCI Geomatics
Mr. Chuck Chaapel, старший инженер по геопространственным данным DigitalGlobe
Перевод — М.Ю. Александров, генеральный директор компании «Гео-Альянс»

Цифровые модели рельефа (ЦМР) — важная составляющая многих приложений, в том числе обеспечивающих создание карт и трехмерных ГИС, мониторинг окружающей среды, проведение пространственного анализа. Более того, развитие таких видов индустрии, как телекоммуникации и машиностроение, создало больший спрос на ЦМР, данные которых позволяют планировать и управлять инфраструктурным ростом с высокой точностью, необходимой для новых пространственных применений. Однако для большинства районов Земли ЦМР либо нет в наличии, либо они устарели, либо доступны только с низким разрешением (например, SRTM — цифровая модель рельефа, сформированная по результатам радарной миссии программы «Спейс шаттл»). Поэтому вполне естественно, что в настоящее время усилия многих ученых и разработчиков сфокусированы на возможности создания высокоточных ЦМР для покрытия всей территории планеты.

Получить ЦМР на основе спутниковых изображений можно двумя методами:
— стереоскопией вдоль маршрута (along-track) с той же орбиты с использованием «вперед смотрящего» (fore) и «назад смотрящего» (aft) изображений;
— поперечной стереоскопией с двух соседних орбит.

Синхронная (одновременная) стереосъемка вдоль маршрута имеет преимущества в учете радиометрических колебаний по сравнению с поперечной стереосъемкой, проводимой в разное время.

Поперечная стереоскопия применяется с 1980 г., начиная с проекта Landsat (США), когда съемка проводилась с двух соседних орбит, затем был SPOT (Франция), где использовалась возможность управления поперечной съемкой, и, наконец, IRS-1C/1D (Индия) осуществлял стереосъемку посредством разворота спутника. Тем не менее, и стереоскопия вдоль маршрута с недавнего времени становится все более популярной. Многие спутники имеют возможность вести стереосъемку этим методом, среди них JERS-1 (Япония), Terra (ASTER), IKONOS, QuickBird, OrbView (все — США), SPOT-5 (Франция), Formosat-2 (Тайвань), Cartosat (Индия), последнее пополнение — WorldView-1 (США).

Спутник WorldView-1 построен Ball Aerospace and Technologies Corporation, на нем установлен съемочный сенсор, собранный ITT Corporation. Это высокопроизводительная панхроматическая съемочная система, получающая изображение с разрешением 0,5 м. WorldView-1 позволяет получать высокоточную ЦМР на основе спутниковых изображений. В данной статье изучается точность ЦМР, автоматически полученных с различных WorldView-1 стереоизображений без использования или с использованием GCP точек.

Стереопары поставляются как две полные сцены площадью 490 км2 с перекрытием 90% с базовым уровнем обработки (Basic 1B), предназначенным для создания ЦМР и получения точек GCP. Два комплекта стереоизображений WorldView-1 Basic 1B предоставлены для исследования компанией DigitalGlobe (США). Первый комплект покрывает район г. Эль Пасо (Техас, США), второй — район г. Моррисон (Колорадо, США). Оба комплекта стереоданных обеспечены точками GCP с субметровой точностью. Третий комплект стереоданных (Basic 1B) передали Pacific Geomatics и Ivanhoe Mines (обе — Канада) с целью определения высоты рудника в Австралии. GCP получены с аэроортофотопланов, ЦМР построена по фотографии. Четвертый комплект стереоданных также предоставлен DigitalGlobe и имеет два уровня обработки — Basic 1B и OR2A. Он покрывает территорию г. Кабула (Афганистан).

Из-за 2 Гб ограничения данных TIFF формата снимки WorldView-1 часто поставляются в виде тайлов с незначительным перекрытием или соединенных встык. Каждый тайл сопровождается собственным RPC-файлом. В программном обеспечении PCI Geomatics (Канада) был разработан инструмент для «сшивки» тайлов в сплошное изображение и генерации нового RPC-файла для него. Как правило, стереопары WorldView-1 поставляются базового уровня обработки, характеристики которого вполне достаточны для большинства приложений, но уровень Ortho Ready Standard (OR2A) показывает более надежные результаты и потому более предпочтителен. Если во время съемки изображения были небольшие подвижки, покачивание или сотрясения спутниковой платформы, то RPC-коэффициенты изображения уровня Basic 1B могут оказаться недостаточно точными для моделирования таких коротковолновых перемещений, в то время как продукция уровня OR2A приведена к картографической проекции, и эффекты от любых коротковолновых движений устранены, что приводит к гораздо лучшему соответствию для RPC. К тому же продукция уровня OR2A дешевле, так как изготавливается на произвольный район (для уровня Basic 1B необходимо заказывать целую сцену).

Метод геометрической коррекции и программное обеспечение
В случае использования изображений WorldView-1 для таких приложений, как ГИС, нужна геометрическая модель. RPC-модель является самой популярной геометрической моделью для высокодетальных изображений. Так как в RPC вероятно наличие систематических погрешностей или ошибок, результаты могут быть дополнительно обработаны с использованием полиномиального корректирования и нескольких точных точек GCP.

В апрельском/майском номере журнала GeoInformatics за 2008 г. опубликована статья с расчетами по использованию RPC-модели. Согласно приведенным данным, средняя квадратическая RMS-ошибка планового положения составила 2 м без использования опорных точек и 1 м с использованием одной контрольной точки GCP. Для тестирования использовалась последняя версия программного обеспечения OrthoEngine компании PCI Geomatics. OrthoEngine поддерживает чтение данных, ручной или автоматический набор опорных и связующих (GCP и Tie) точек, геометрическое моделирование различных спутниковых камер (включая строгую Toutin- или RPC-модель), автоматическое создание и редактирование ЦМР, ортотрансформирование, формирование мозаики в ручном или автоматическом режимах. Недавно в Geomatica 10 добавлены возможность «сшивки» тайлов снимков WorldView-1, QuickBird, IKONOS и получение нового RPC-файла на цельное изображение.

Необходимо отметить, что когда опорные точки не используются в RPC-методе, сбор связующих точек может улучшить взаимную точность стереопары, но ухудшит абсолютную точность каждого изображения. Так как абсолютная точность снимков WorldView-1 без использования опорных точек находится в пределах 2 м, связующие точки лучше не набирать (если не предусмотрено использование точек GCP), чтобы достичь установленной абсолютной точности в конечном результате. В таких случаях стереопродукция уровня OR2A предпочтительнее, чем уровня Basic 1B.

Для автоматической генерации ЦМР образуется пара квазиэпиполярных изображений из «вперед смотрящего» и «назад смотрящего» снимков для удержания высотного параллакса только в направлении оси X. Для производства ЦМР применяется автоматическая процедура соединения изображений посредством установления соответствия значений серого цвета на них. Для нахождения соответствующих пикселей на левом и правом квазиэпилярных изображениях в последовательном (иерархическом) порядке собираются субпиксельные средние величины, нормализованные методом взаимной корреляции. Метод формирует коэффициенты корреляции со значениями от 0 до 1 для каждого совпадающего пикселя, где 0 обозначает полное несовпадение, а 1 —идеальное соответствие. Разность второго порядка затем аппроксимируется вблизи коэффициентов максимальной корреляции, чтобы вычислить соответствие с субпиксельной точностью. Разница в положении между изображениями дает несоответствие, или параллакс, возникший из рельефа местности, который затем конвертируется в абсолютные значения высоты на эллипсоиде WGS–84, использующий 3D space-intersection решения.

ЦМР на г. Эль Пасо
В тесте стереоданные были получены с 2.2° «вперед смотрящего» (fore) и –27.7 ° «назад смотрящего» (aft) снимков. Район содержит заселенные участки и сельскохозяйственные угодья. Диапазон высот составляет 1100–1200 м. В комплект входили 18 точек GCP с субметровой точностью. Данные были разбиты на два тайла для каждого из изображений, объем которых после «сшивки» составил примерно по 3 Гб. Протестированы два варианта. В первом случае не было набранных контрольных точек, во втором случае — 1 наземная опорная GCP точка и 17 контрольных и связующих точек были набраны. Табл. 1 отображает суммарную точность RPC-модели. Средние квадратические RMS-ошибки контрольных точек для обоих изображений не превышают 1 м при использовании только 1 точки GCP для каждого из них.

Таблица 1. Результаты RPC модели, г. Эль Пасо

ЦМР сгенерирована автоматически с шагом 1 м, проведено ее сравнение с высотами контрольных точек. Без использования точки GCP в RPC-модели ошибка RMS контрольных точек по высоте составила 5,3 м (максимальное значение — 7,3 м). С одной набранной опорной точкой GCP высотная RMS контрольных точек составляла 0,9 м (максимальное значение — 2,3 м).

ЦМР на г. Моррисон
Для тестирования стереоданные были получены при углах наклона 32,6° для «вперед смотрящего» и 4,1° для «назад смотрящего» снимков. Перепад высот составлял 1600–2800 м (горная местность, частично покрытая снегом).

Объем «вперед смотрящего» изображения около 1,6 Гб. «Назад смотрящее» изображение было разбито на два тайла, объем «сшитого» изображения составил 2 Гб. На рис. 1 приведен общий вид територии.

Рис. 1. Общий вид территории, г. Моррисон

На территорию было предоставлено 11 точек GCP с субметровой точностью. Протестированы два варианта. В первом отсутствовали опорные точки GCP и были набраны 10–11 контрольных точек. Во втором набирались 1 наземная опорная точка GCP и 9–10 контрольных точек. В табл. 2 показана суммарная результирующая точность RPC-модели. RMS-ошибки контрольных точек для обоих изображений находятся в пределах 0,5 м при использовании только 1 опорной контрольной точки для каждого изображения. На ЦМР наблюдаются некоторые шумы вследствие влияния снега и деревьев.

Таблица 2. Результаты RPC модели, г. Моррисон

Когда в RPC-модели не учитывалась набранная точка GCP, ошибка RMS контрольных точек по высоте достигала 2,4 м при максимуме 6,7 м. С одной набранной опорной точкой GCP высотная RMS контрольных точек составила 1,2 м при максимуме 1,7 м. На рис. 2 показана полученная ЦМР

Рис. 2. ЦМР на г. Моррисон

ЦМР на рудник
Тестовые данные охватывают территорию горнорудной разработки в Австралии. Пейзаж представляет собой грунтовую поверхность с отдельными кустарниками. «Вперед смотрящий» снимок отклонен на 20,0°, «назад смотрящий» — на 8,2°. Объем «сшитого» изображения для каждого из снимков примерно 2,8 Гб.

Для каждого изображения были предоставлены по 11 точек GCP, которые были получены с аэроортофотоплана и обладали меньшей точностью, чем в рассмотренных выше случаях. Протестированы два варианта: без набранных опорных точек GCP и с 1 набранной опорной точкой GCP. Суммарная результирующая точность RPC модели приведена в табл. 3.

Таблица 3. Результаты RPC модели, рудник (Австралия)

Ошибки RMS контрольных точек находятся в пределах 2 м при использовании 1 опорной точки GCP для каждого изображения и 5–6 м без опорных точек GCP.

Генерация ЦМР была проведена автоматически с шагом 1 м, благодаря отсутствию растительности и других несоответствий земной поверхности достигнуты хорошие результаты. При отсутствии набранной точки GCP ошибка RMS контрольных точек по высоте составила 2,2 м при максимуме 4,7 м. С одной набранной опорной точкой GCP для каждого из изображений высотная RMS контрольных точек составила 3,9 м при максимуме 5,7 м. Полученные результаты показывают, что если точные точки GCP не доступны, лучше не собирать точки GCP вообще. Абсолютная точность RPC-модели данных WorldView-1 без GCP достаточна для генерации ЦМР.

Результаты ЦМР на Кабул
На тестовый район была предоставлена продукция уровней обработки Basic 1B и OR2A. Для этого набора данных точки GCP не были доступны, связующие точки не набирались, чтобы сохранить абсолютную точность. Перепад высот составил 1700–2200 м. На рис. 3 показан общий вид территории.

Рис. 3. Общий вид территории, Кабул

В процессе создания эпиполярных пар обнаружилось, что для уровня Basic 1B существует значительная разница параллаксов по оси Y между левой и правой эпиполярными парами. Следовательно, создание ЦМР невозможно для уровня Basic Stereo 1B. Для набора данных уровня обработки OR2A такой проблемы не существует, и ЦМР была успешно получена. На рис. 4 показана полученная ЦМР.

Рис. 4. ЦМР на Кабул

Заключение
В статье исследованы четыре стереопары снимков WorldView-1. Основные выводы:
— можно получить точную RPC-модель с RMS 1 м при использовании 1 точной GCP и RMS 2 м без GCP;
— ЦМР может быть получена с использованием стереопар снимков WorldView-1 автоматически;
— сформированная ЦМР имеет точность по высоте 1,5 м при использовании 1 точной GCP и приблизительно 5 м без использования GCP;
— продукция уровня обработки OR2A предпочтительнее продукции уровня Basic 1B, особенно когда отсутствуют данные GCP.

Для создания ЦМР на базе стереопар WorldView-1 использовано программное обеспечение Geomatica 10 канадской компании PCI Geomatics.

Модуль Satellite Ortho Suite для обработки спутниковых данных поддерживает математические модели всех современных спутниковых систем, работу с RPC-коэффициентами, инструменты для автоматического получения ЦМР, возможность набора связующих и опорных точек GCP и проч.

Компания «Гео-Альянс» является представителем и официальным авторизированным дистрибьютором программного обеспечения компании PCI Geomatics и продукции компании DigitalGlobe. По всем вопросам, связанным с покупкой программного обеспечения Geomatica и продукции со спутника Word-View-1, курсами обучения, технической и информационной поддержкой, пожалуйста, обращайтесь в компанию «Гео-Альянс» ( www.geo-alliance.ru ).

^* По материалам статьи, опубликованной в журнале Geoinformatics № 7 за 2008 г., с. 34–39.