Исследование точности измерения координат точек на ортоснимках RapidEye в зависимости от их геометрического типа

0

И.В. Оньков

ВВЕДЕНИЕ

При решении задач картографирования по материалам космической съемки определяющим фактором является геометрическая точность ортоснимков. Некоторые результаты экспериментальных исследований геометрической точности ортоснимков космического аппарата (КА) RapidEye, выполненных в ООО «Тримм» и предприятии «Уралгеоинформ», отражены в работах [1-3].

Основной задачей данных исследований является оценка точности измерений координат точек на ортоснимках и ортомозаике RapidEye в зависимости от их геометрического типа.

Решение этой задачи необходимо для обоснованного выбора типа опорных точек при ортотрансформировании и геометрической коррекции снимков RapidEye, а также при оценке реальной точности оцифровки точечных, линейных и площадных объектов местности при создании (обновлении) топографических и специальных карт и планов.

 СОЗДАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЯ ОРТОСНИМКОВ

Для выполнения исследований были использованы два мультиспектральных  снимка RapidEye на территорию г. Перми и прилегающих районов, предоставленные компанией «Совзонд» для выполнения тестовых исследований (табл. 1).

Таблица 1

Основные характеристики снимков и условий съемки
 

Номер продукта Номер (имя) спутника Уровень обработки Дата съемки Надирный угол (град.) Высота Солнца (град.)
ID1331830 RE4 (Choros) 1B 13.07.09 6,5 54,0
ID1331952 RE5 (Trochia) 1B 14.07.09 3,0 53,7

 

Ортотрансформирование исходных снимков было выполнено в программе ENVI 4.6 с использованием коэффициентов рациональных полиномов RPC, включенных в файлы снимков формата NITF, и цифровой модели рельефа Земли SRTM. Выходная проекция ортоснимков — Гаусса-Крюгера, система координат — СК-42. Средняя высота геоида над эллипсоидом принималась равной нулю, размер пикселя выходного ортоизображения — 6,5 м. Наземные опорные точки при ортотрансформировании не использовались. Ортомозаика была создана в графическом редакторе по координатам угловых точек растра, полученных в результате ортотрансформирования снимков RE4 и RE5.

Выбор измеряемых точек был ограничен территорией г. Перми в его административных границах, на которую были созданы в ООО «Тримм» ортофотопланы города по снимкам КА IKONOS с разрешением 1 м в рамках муниципальной программы по мониторингу городской территории.

Измерения координат опорных и контрольных точек на ортоснимках выполнялись в растровом редакторе с дискретностью 0,2 пикселя (1,3 м на местности). Геодезические координаты этих же точек измерялись на ортофотопланах города с ошибкой не более 2 м (средняя радиальная ошибка измерения координат составила 0,8–1,0 м). Это позволило рассматривать их как «истинные координаты» и использовать для оценки и анализа точности ортоснимков RapidEye (рис.1).

Рис. 1. Определение геодезических координат измеряемых точек на ортоснимке RapiEye по ортофотоплану IKONOS
Рис. 1. Определение геодезических координат измеряемых точек на ортоснимке RapiEye по ортофотоплану IKONOS

В общей сложности на ортоснимках и ортомозаике было измерено и принято в обработку 900 точек.

Все измеряемые точки были разделены на три основных геометрических типа:

  1. Центры объектов круглой формы (в основном резервуары для хранения нефтепродуктов); далее в таблицах обозначены символом «О» (рис. 2а).
  2. Примыкания и пересечения осевых линий линейных объектов (в основном автодороги и улицы в населенных пунктах); далее в таблицах обозначены символом «╦» (рис. 2б).
  3. Угловые точки объектов прямоугольной формы (в основном углы зданий и сооружения, площадки); далее в таблицах обозначены символом «Г» (рис. 2в).
Рис. 2. Геометрические типы измеряемых точек
Рис. 2. Геометрические типы измеряемых точек

Примеры выбора основных типов измеряемых точек на ортоснимках приведены на рис. 3а-е.

Рис. 3. Примеры выбора измеряемых точек: а — резервуары для хранения нефтепродуктов б — пересечения проездов в садовом товариществе в — примыкания автодорог г — пересечение лесных просек д — угловые точки промышленных зданий е — угловые точки площадок аэропорта
Рис. 3. Примеры выбора измеряемых точек:
а — резервуары для хранения нефтепродуктов
б — пересечения проездов в садовом товариществе
в — примыкания автодорог
г — пересечение лесных просек
д — угловые точки промышленных зданий
е — угловые точки площадок аэропорта

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ ОРТОСНИМКОВ

Геометрическая коррекция ортоснимков выполнялась для устранения остаточных систематических ошибок ортоснимков, возникающих, в основном, вследствие ошибок коэффициентов рациональных полиномов (RPC), ошибок параметров преобразования систем координат (WGS-84 → СК-42) и ошибок в высоте геоида над эллипсоидом относимости.

В совокупности эти ошибки (в линейном приближении) приводят к сдвигу, изменению масштаба и развороту осей растровой системы координат ортоснимков относительно геодезической системы координат.

Оценка указанных параметров сдвига, масштаба и разворота выполнялась с использованием конформного преобразования Гельмерта

formula-1

которое в  эквивалентной геометрической форме имеет вид

formula-2

a-3

a-4

Таблица 2

Оценки параметров преобразования Гельмерта

 

Ортоснимок Тип объекта Объем выборки n X0 ,м Y0 ,м φ» s
RE4 О 82 6415192,14 433178,63 7,3 0,999886
67 6415190,32 433178,51 4,4 0,999947
Г 112 6415092,89 433174,32 37,5 0,999850
RE5 О 92 6408789,10 428384,47 -1,5 0,999939
58 6408790,20 428383,46 10,9 0,999960
Г 127 6408793,28 428381,91 21,1 0,999927
Mosaic О 128 6417045,56 438437,67 9,8 0,999838
98 6417045,90 438437,46 22,6 0,999874
Г 130 6417049,17 438434,70 50,6 0,999810

 

ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ОРТОСНИМКОВ ПО ОСТАТОЧНЫМ ОТКЛОНЕНИЯМ

Полученные в результате обработки по методу наименьших квадратов (МНК) остаточные отклонения измеренных координат опорных точек от уравненных рассматривались как случайные ошибки, обусловленные, в основном, ошибками измерений координат точек на растре (опознавания и наведения), ошибками дискретизации растра и методическими ошибками принятой математической модели преобразования.

Оценка точности измерений выполнялась по остаточным отклонениям координат  для каждой типа измеряемых точек  и каждого снимка отдельно. Вычислялись следующие основные показатели точности:

aaa

Результаты оценки точности измерения координат точек на ортоснимках и ортомозаике приведены в табл. 3.

Таблица 3

Показатели точности измерения координат точек на ортоснимках

 

Ортоснимок Тип объекта Объем выборки n σxy, м MRE, м Rmax, м
RE4 О 82 1,63 2,08 4,84
67 1,85 2,41 4,71
Г 112 2,79 3,57 7,93
RE5 О 92 1,53 1,95 4,36
58 1,70 2,16 4,59
Г 127 2,59 3,26 7,78
Mosaic О 128 1,60 2,04 4,22
98 1,74 2,31 4,44
Г 130 2,83 3,61 7,81

 

На рис. 4, в качестве примера, приведен график зависимости стандартной среднеквадратической ошибки σxy от типа измеряемой точки для ортоснимков RE4, RE5 и ортомозаики по данными табл. 3.

Рис. 4. Зависимость стандартной среднеквадратической ошибки σxy от геометрического типа измеряемой точки: а — центры объектов круглой формы б — пересечения и примыкания осевых линий линейных объектов в — угловые точки объектов прямоугольной формы
Рис. 4. Зависимость стандартной среднеквадратической ошибки σxy от геометрического типа измеряемой точки:
а — центры объектов круглой формы
б — пересечения и примыкания осевых линий линейных объектов
в — угловые точки объектов прямоугольной формы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  1. На основе достаточно большого статистического материала экспериментально выявлена зависимость точности измерения координат точек на ортоснимках RapidEye от их геометрического типа. Показано, что точность измерения координат точек объектов, обладающих определенной геометрической симметрией в 1,5 – 1,7 раза выше, чем угловых точек прямоугольных объектов.
  2. Точность измерения координат точек, вне зависимости от их геометрического типа, удовлетворяет требованиям, предъявляемым к точности фотопланов масштаба 1:10 000: средняя радиальная ошибка (MRE) во всех сериях измерений не превосходит 4 м, максимальная ошибка — не более 8 м.

Результаты исследований могут быть использованы при выборе типа опорных точек при геометрической коррекции ортоснимков RapidEye, а также для оценки реальной точности оцифровки точечных, линейных и площадных объектов местности при создании (обновлении) топографических и специальных карт и планов.

Список литературы

  1. Оньков И.В. Исследование геометрической точности ортотрансформированных снимков RapidEye // Геоматика. – 2009. – № 4(5). – С.21-27.
  2. Оньков И.В. Исследование геометрической точности ортоснимков RapidEye, ALOS и ALOS+RapidEye // Геопрофи. – 2009. – № 6. – С.48-51.
  3. Кобзева Е.А. Обновление цифровых топографических карт по снимкам RapidEye: результаты исследования // Пространственные данные. – 2009. – №4. – С.47-50.