Исследования геометрической точности космического снимка со спутника TH-1

0

И. В. Оньков

Цель работы — исследование геометрической точности космического снимка со спутника TH-1 (Китай) по наземным опорным и контрольным точкам, ортотрансформированного с использованием цифровой модели рельефа (ЦМР) SRTM-3 [1] и коэффициентов рациональных полиномов RPC.

В табл. 1 представлены основные технические характеристики съемочной аппаратуры спутника TH-1, запущенного на орбиту 24 августа 2010 г. [2].

Таблица 1. Спутник TH-1. Основные технические характеристики съемочной аппаратуры

Режим съемки

Панхроматический (PAN) Мультиспектральный

Стерео (триплет)

Спектральный диапазон, мкм 0,51–0,69 0,43–0,52 (синий)

0,52–0,61 (зеленый)

0,61–0,69 (красный)

0,76–0,90 (ближний ИК)

0,51–0,69
Пространственное разрешение (в надире), м 2 10 5
Точность геопозиционирования, м CE90 = 25
Ширина полосы съемки, км 60 60 60
Периодичность съемки, сутки 9
Возможность получения стереопары Да

Исходный снимок TH01–02_P201306090000001_1B_GFB_08_165_077, дата съемки 30.07.2012 г., в формате TIFF на заданную территории (Россия, Пермский край, г. Пермь), был предоставлен для исследования компанией «Совзонд».

Ортотрансформирование снимка (PAN-канал) выполнялось в программном комплексе  ENVI 4.8 без использования наземных опорных точек в системе координат WGS–84 проекций UTM–40. Размер пикселя растра на местности задавался равным 2,0 м. Высота геоида EGM96 над эллипсоидом WGS–84 для центра снимка была принята равной –3,2 м.

В качестве опорных и контрольных точек для исследования точности ортоснимка использовались четкие контуры объектов местности (опознаки), уверенно дешифрируемые на снимке, координаты которых определялись с использованием двухчастотных GPS приемников с опорой на пункты триангуляции 1–3 классов в системе координат СК–42, 10 зона.

Преобразование координат опознаков из СК–42 в систему WGS–84 проекции UTM–40 выполнялась в соответствии с ГОСТ Р 51794–2008 [3]. Для выполнения исследований было использовано 52 опознака, общее расположение которых по полю снимка показано на рис. 1.

ris_1_web
Рис. 1. Схема расположения опознаков на снимке

 

Точность ортоснимка оценивалась по отклонениям измеренных на ортоснимке координат контрольных точек от их значений, определенных на местности геодезическими методами (GPS).

Исследования выполнены  для трех вариантов использования опорных и контрольных точек и метода геометрической коррекции растрового изображения снимка:

  1. без использования опорных точек, в этом случае все измеренные на ортоснимке точки рассматривались как контрольные;
  2. опорные точки использовались только для определения сдвига растра по осям координат без его трансформирования;
  3. опорные точки использовались для определения коэффициентов математической модели преобразования с целью геометрической коррекции растра и его последующего трансформирования.

Точность результатов измерений оценивалась следующими показателями:

  • систематические ошибки (сдвиги по осям координат);
  • среднеквадратическая ошибка RMSE;
  • средняя радиальная ошибка MRE;
  • круговая ошибка CE90;
  • максимальное значение радиальной ошибки в выборке Rmax.

Оценка точности ортоснимка без использования наземных опорных точек 

Число контрольных точек —  52.

Отклонения координат на контрольных точках показаны на рис. 2. Показатели точности приведены в табл. 2

ris_2_web
Рис. 2. Диаграмма рассеяния отклонений контрольных точек, первый вариант обработки

Таблица 2. Показатели точности ортоснимка

Показатель точности

Значение показателя

Сдвиг по X, м 7,95
Сдвиг по Y, м –20,13
Модуль сдвига, м 21,64
RMSE, м 21,99
MRE, м 21,80
CE90, м 25,43
Rmax, м 27,98

 

Оценка точности ортоснимка, скорректированного за сдвиги по осям координат по опорным точкам

Коррекция ортоснимка выполнялась по четырем опорным точкам, расположенным вблизи его центра. Число контрольных точек — 48.

Остаточные отклонения координат на контрольных точках после коррекции сдвигов показаны на рис. 3. Показатели точности приведены в табл. 3.

ris_3_web
Рис. 3. Диаграмма рассеяния отклонений контрольных точек, второй вариант обработки

Таблица 3. Показатели точности ортоснимка

Показатель точности

Значение показателя

Модуль остаточного систематического сдвига, м 2,11
RMSE, м 4,53
MRE, м 4,09
CE90, м 6,87
Rmax, м 9,05

 

Оценка точности ортоснимка, скорректированного по опорным точкам с использованием преобразования гельметра 

Число опорных точек — 8 .

Число контрольных точек — 44.

Остаточные отклонения координат на контрольных точках  показаны на рис. 4. Показатели точности приведены в табл. 4.

ris_4_web
Рис. 4. Диаграмма рассеяния отклонений контрольных точек, третий вариант обработки

Таблица 4. Показатели точности ортоснимка

Показатель точности

Значение показателя

Модуль остаточного систематического сдвига, м 2,65
RMSE, м 4,27
MRE, м 3,82
CE90, м 6,54
Rmax, м 7,24

 

Оценка точности ортоснимка, скорректированного по опорным точкам с использованием аффинного преобразования 

Число опорных точек — 12 .

Число контрольных точек — 40

Остаточные отклонения координат на контрольных точках показаны на рис. 5. Показатели точности приведены в табл. 5.

ris_5_web
Рис. 5. Диаграмма рассеяния отклонений контрольных точек, четвертый вариант обработки

Таблица 5. Показатели точности ортоснимка

Показатель точности

Значение показателя

Модуль остаточного систематического сдвига, м 1,25
RMSE, м 3,67
MRE, м 3,26
CE90, м 5,87
Rmax, м 7,75


Заключение

По результатам тестирования геометрической точности снимка TH-1 (PAN-канал), ортотрансформированного в программном комплексе ENVI 4.8 с использованием ЦМР SRTM–3 и модели камеры, заданной в виде RPC коэффициентов, можно сделать следующие предварительные выводы:

  1. Геометрическая точность ортоснимка без использования наземных опорных точек по показателю CE90 составила 25,43 м, что незначительно превышает заявленную производителем точность 25 м.
  2. Геометрическая точность ортоснимка с использованием 4–8–12 опорных точек и коррекции растра с использованием преобразования сдвига, преобразования Гельмерта и аффинного преобразования; геометрическая точность снимка по критерию средней ошибки составила 4,09 м, 3,82 м и 3,26 м соответственно, и удовлетворяет требованиям к точности фотопланов масштаба 1:10 000, установленным Инструкцией по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [4].

Список литературы:

  1. http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3/Eurasia/
  2. Дворкин Б. А., Дудкин С. А. Новейшие и перспективные спутники дистанционного зондирования Земли. – М.: ГЕОМАТИКА, 2013., №2 – с. 16–39.
  3. ГОСТ Р. 51794-2008 ― Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек. –М.: Стандартинформ, 2009. –19 с.
  4. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. – М.: ЦНИИГАиК, 2002. –48 с.