ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2015, № 1, с. 74-83
КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ, СИСТЕМЫ И ПРОГРАММЫ ИЗК
СОЗДАНИЕ ОРТОФОТОПЛАНОВ ПО ДАННЫМ С ОТЕЧЕСТВЕННОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА КАНОПУС-В
© 2015 г. А. В. Сонюшкин1, М. В. Зимин2
1ООО Инженерно-технологический Центр "СКАНЭКС", Москва 2МГУим. М.В. Ломоносова, географический факультет, Москва E-mail: A.Sonyushkin@scanex.ru
E-mail: ziminmv@mail.ru Поступила в редакцию 07.02.2014 г.
Проведена серия экспериментов со спутниковыми данными, полученными с космического аппарата Канопус-В (Россия), направленная на выявление геометрических особенностей получаемых снимков с целью создания автоматизированной системы обработки. Результаты экспериментов дали возможность судить о довольно высоком качестве исходных данных, позволяющих использовать их с высокой степенью автоматизации. Созданные на их основе ортофотопланы отвечают требованиям, предъявляемые к ортофотопланам М 1 : 10000 и мельче.
Ключевые слова: Канопус-В, космическая съемка, автоматизированная обработка, ортофотоплан, оценка точности
DOI: 10.7868/S0205961415010091
ВВЕДЕНИЕ
Современная группировка спутников высокого и сверхвысокого пространственного разрешения (Pleiades A\B, GeoEye-1, WorldView-1\2, QuickBird, IKONOS, Kompsat-2\3, EROS-A\B, Cartosat-2, SPOT 6, Ресурс-ДК и др.) позволяет производить непрерывный мониторинг практически всей территории Земли и потенциально может обеспечивать покрытие более 10 млн кв. км в сутки. Все крупнейшие мировые державы формируют свои независимые системы дистанционного зондирования (ДЗ), целями которых является ведение непрерывного мониторинга для обеспечения деятельности народного хозяйства и вопросов внутренней и внешней безопасности.
Ситуация с формированием отечественной системы ДЗ довольно тяжелая: несмотря на значительные изменения финансирования отрасли, гражданский космос не претерпел качественных изменений. До сих пор нет национальной системы космических метеонаблюдений и системы мониторинга окружающей среды. Количество спутников мониторинга окружающей среды увеличилось с пяти до семи, но все они не представляют собой систему, т.е. создаются на семи предприятиях без отраслевой координации. Наряду со значительным увеличением стоимости спутников, сроки ввода в эксплуатацию новых значительно задерживаются (Батурин, Пискунов, 2013).
Тем не менее ситуация медленно меняется, и запуск отечественно космического аппарата (КА) "Канопус-В" и его белорусского аналога "БелКА" позволяет судить о начале формирования отечественной системы мониторинга окружающей среды (наряду с КА "Ресурс-П" и др.). Именно эти данные являются наиболее востребованными и позволяют решать наиболее актуальные вопросы, связанные с кадастром (земельный, лесной, водный и др.) и мониторингом территории нашей страны.
Ввиду этого встает вопрос о качестве исходной информации с КА "Канопус-В" и о возможности ее использования для создания ортофотопланов как базовых продуктов для создания картографической продукции, ГИС и систем мониторинга окружающей среды.
ОСОБЕННОСТИ СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРЫ
Съемочная аппаратура КА "Канопус-В" состоит из следующих двух камер (История создания малых космических аппаратов..., 2014; Космический аппарат "Канопус-В"., 2014): ПСС — панхроматическая камера с полосой захвата 23 км и разрешением 2.1 м (состоит из шести матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС), находящихся в единой фокальной плоскости); МСС — муль-тиспектральная камера с полосой захвата 20 км и
разрешением 10.5 м (снимает четыре кадра в четырех спектральных каналах).
Оператором данных, получаемых с КА "Кано-пус-В", является Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ), который предоставляет конечному пользователю продукты трех следующих уровней обработки (Космический аппарат "Канопус-В"..., 2014):
— Уровень 1. Исходные данные, прошедшие радиометрическую коррекцию, поставляемые в виде отдельных микрокадров, сопровождаемые служебной информацией и коэффициентами рационального многочлена (RPC — Rational polynomial coefficient). Данный уровень обработки поддерживается для многозональных (камера МСС) и панхроматических (камера ПСС) снимков.
— Уровень 2. Микрокадры, сшитые в единый условный кадр, трансформированные в заданную картографическую проекцию по данным бортовой измерительной аппаратуры (АСН). Данный уровень обработки поддерживается для многозональной и панхроматической съемки, а также для комплексированного (продукта pansraped) изображения.
— Уровень 3. Микрокадры сшитые в единый условный кадр, ортотрансформированные с использованием наземных опорных точек и цифровой модели рельефа (ЦМР). Данный уровень обработки поддерживается для всех типов информации аналогично с Уровнем обработки 2.
Поскольку для фотограмметрической обработки из представляемых оператором продуктов подходят только данные Уровня 1, более подробно рассмотрим формат их поставки. Изображения представлены в формате TIF с информацией о пространственной привязке данных, записанной в виде девяти точек. Служебная информация представлена в формате XML. В состав служебной информации входят: дата и время съемки, название КА и камеры, наименование матрицы, ее размерность, угол возвышения солнца и его азимут, информация о положении КА в момент съемки и его ориентация, а также коэффициенты рационального многочлена. Кроме того, содержание файла служебной информации XML дублируется в виде документа в формате Microsoft Word, имеющего комментарий по каждому из записанных значений. Также стоит отметить, что в составе служебной информации отсутствуют данные, необходимые для абсолютной радиометрической калибровки, что делает затруднительным использование снимков для автоматизированной тематической обработки, а также сопоставление ее результатов с результатами, полученными по другим типам пространственных данных.
В состав служебной информации не входит информация, позволяющая построить строгую математическую модель камер ПСС и МСС. При
фотограмметрической обработке подразумевается применение аналитической модели, использующей для связи нормированных широты, долготы и высоты с нормированными координатами пикселов растра рациональную функцию (RFM)
I =
Sn =
Num i( <pN,XN, hN) Den,(9N,^N, hN) '
Num s ( ф№ ^ ^ h n)
Dens(^N,^N,hN) '
где ln и Sn — нормированные пиксельные координаты; ф№ XN, hN — нормированные широта, долгота и высота; Numl, Num„ Denl, Den — многочлены третьей степени.
Такие аппроксимации строгой модели сенсора повсеместно используются для фотограмметрической обработки данных космической съемки. Обычно конечному пользователю в составе служебной информации поставляются вычисленные по строгой модели сенсора коэффициенты рационального многочлена, как правило, третьей степени (RPC). Существует два подхода вычисления рациональной модели — "зависимо" и "независимо" от рельефа местности (Yong et al., 2004).
Зарубежные операторы данных обычно используют независящую от рельефа реализацию, суть которой сводится к уравниванию методом наименьших квадратов нескольких наборов пространственных координат, полученных по строгой модели камеры, путем пересечения вектора луча, регистрируемого детектором матрицы или линейки ПЗС с поверхностями, имеющими константную высоту (Dial, Grodecki, 2003). Ими используется три—пять поверхностей, высота которых выбирается в зависимости от минимальной, максимальной и медианной высоты текущей местности.
В случае "Канопус-В", согласно (Макушева, Некрасов, 2012; Nekrasov, Makusheva, 2012), используется зависимая от рельефа местности реализация вычисления рациональной функции. Такой подход подразумевает уравнивание пространственных координат, полученных путем пересечения векторов лучей, регистрируемых детекторами матрицы ПЗС со значениями высоты, полученными по цифровой модели рельефа. Дополнительно для увеличения точности модели могут быть использованы наземные опорные точки. Очевидно, что точность аппроксимации при использовании данного подхода будет зависеть от точности измерения положения и ориентации КА, качества использованной цифровой модели рельефа (ЦМР) и наземных опорных точек.
ТЕСТОВЫЕ ДАННЫЕ
В качестве тестовых данных был выбран снимок, доступный для свободной загрузки с Интернет-сайта оператора данных (Образцы изображений., 2014). Снимок был получен 1 ноября 2012 г., угол отклонения от надира по крену составляет — 15.8 град, данные покрывают территорию города Пекин (КНР). Панхроматическое изображение формируется из 78 условных кадров, полученных матрицами камеры ПСС; многозональное изображение представлено тремя матрицами для каждого спектрального канала камеры МСС. Каждый отдельный микрокадр сопровождается служебной информацией, в состав которой входят коэффициенты рационального многочлена. При детальном анализе коэффициентов рационального многочлена было обнаружено, что коэффициенты 10—20 равняются 0, что позволяет сделать вывод о том, что в качестве аналитической модели сенсора используется рациональная функция второй степени, а не третьей, как описано в работах (Макушева, Некрасов, 2012; Nekrasov, Maku-sheva, 2012). Кроме того, согласно представленным коэффициентам нормировки высоты, минимальная высота местности должна равняться 3999, а максимальная 4001 м, что почти в 100 раз превышает реальные значения.
ИСТОЧНИК НАЗЕМНЫХ ОПОРНЫХ ТОЧЕК И ЦМР
Поскольку у нас не было возможности получить достоверную наземную информацию по территории исследования, то в качестве источника опорных точек использовался картографический интернет-сервис Bing (http://www.bing.com/maps/), предоставляемый компанией Microsoft. Данный сервис доступен в виде WMS (web map service)-сер-виса, предоставляемого проектом OnTerra (OnTerra) (http://www.onterrasystems.com/). Территория исследования в рамках этого сервиса полностью покрыта ортотрансформированными космическими снимками сверхвысокого пространственного разрешения, точность которых, согласно спецификации компании DigitalGlobe, составляет 5.4 м по критерию CE90% (около 2.5 м СКО) (Geolocation Accuracy ofWorldView Products, 2014).
Территория исследования характеризуется преимуществе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.