Исследование точности радарных ЦМР, построенных по снимкам ALOS/PALSAR и модели SRTM, в зависимости от вида отражающей поверхности

0

И.В. Оньков, Т.А. Онянова, О.Ю. Шиляева

Метод радарной интерферометрии по данным радиолокаторов космического базирования в настоящее время является одним из наиболее эффективных методов построения цифровых моделей рельефа на больших площадях [1]. Но в  силу своей физической природы, радарные методы, основанные на отражении радиоволн, позволяют получать информацию о высотах условной отражающей поверхности, которая, в общем случае, не совпадает с топографической поверхностью Земли.

Расхождения между высотами этих поверхностей наиболее существенны на залесенной и застроенной территории и зависят от многих факторов, таких как высота и густота лесного покрова, высота и плотность застройки, параметров радиолокационного сигнала (длина волны сигнала, разрешающая способность, поляризация), методов и алгоритмов обработки данных и т. п.

В свою очередь точность определения высоты поверхности, построенной по радарным данным, также зависит от вида отражающей поверхности, параметров съемки, методов обработки и т. п.

В данной работе принята наиболее простая аддитивная модель ошибок высот отражающей поверхности в виде суммы систематической и случайной составляющих и выполнена оценка параметров этих составляющих по результатам обработки радарных данных для трех типов территории:

  • многоэтажная городская застройка (3–9 этажей);
  • сельхозугодия без древесной растительности (пашни, луга);
  • лесные массивы (высота деревьев 10–25 м).

Для исследования была выбрана цепочка из 12 снимков ALOS/PALSAR г. Перми и пригородной зоны, выполненных  в 2008–2010 гг., подробные характеристики которых приведены в работе [2].

Обработка снимков и построение цифровых моделей отражающих поверхностей проводилась в программном продукте ENVI 4.8 SARscape 4.4 методом радарной интерферометрии по стандартной методике без использования входной цифровой модели рельефа (ЦМР) [3]. На основе пяти, наиболее точных моделей, была сформирована осредненная матрица высот с шагом сетки 50´50 м. В качестве оценки среднего принималась медиана из значений высот в узлах сетки, обладающая свойством максимальной устойчивости к резко выделяющимся данным в выборке.

ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОЧНОСТИ

Определение параметров систематической и случайной составляющих полученной

Рис. 1. Расположение контрольных точек на территории городской застройки
Рис. 1. Расположение контрольных точек на территории городской застройки

осредненной модели высот выполнялось по контрольным точкам, координаты и высоты которых были сняты с цифровых топографических планов города масштаба 1:2000–1:5000 с высотой сечения рельефа 1 м. В качестве контрольных точек использовались подписанные на планах отметки высот и горизонтали с выбранными типами отражающей поверхности, расположение которых показано на космическом снимке WorldView-2 г. Перми (рис. 1–3). Общее количество контрольных точек составило 5098, в том числе: на  городской территории 1264,  на сельхозугодиях 1541, на территории лесных массивов 2593.

Рис. 2. Расположение контрольных точек на территории сельхозугодий
Рис. 2. Расположение контрольных точек на территории сельхозугодий
Рис. 3. Расположение контрольных точек на территории лесных массивов
Рис. 3. Расположение контрольных точек на территории лесных массивов

Для сравнения по этим же контрольным точкам оценивались параметры точности глобальной цифровой модели рельефа Земли SRTM, построенной по данным радарной интерферометрической съемки с КК SpaceShattle в феврале 2000 г.

По разностям отметок высот радарной модели рельефа и топографической поверхности вычислялись следующие параметры:

  • среднее значение разности высот (систематическая ошибка);
  • средняя квадратическая ошибка ;
  • средняя абсолютная ошибка ;
  • вероятная линейная ошибка ;
  • минимальное и максимальное значения ошибок.
  • После исключения систематической ошибки из результатов измерений оценивались параметры случайной составляющей ошибки высоты радарной модели рельефа:
  • стандартная средняя квадратическая ошибка ;
  • центрированная средняя абсолютная ошибка .

Характер распределения ошибок и соответствие его нормальному закону распределения оценивался по гистограммам частот и выборочным значениям коэффициентов асимметрии  и эксцесса.

РЕЗУЛЬТАТЫ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Показатели точности осредненной модели рельефа, построенной по 5 парам радарных снимков ALOS/PALSAR в зависимости от вида отражающей поверхности, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели точности высот радарной модели рельефа

tabl-1

Результаты статистической обработки данных экспериментальных измерений, приведенные в табл. 1, показывают существенное влияние типа и характера отражающей поверхности на величину систематической и случайной ошибки высоты оцениваемой модели рельефа.

Характер закона распределения случайных ошибок высот, по критериям асимметрии и эксцесса, близок к нормальному закону на уровне значимости 1%, за исключением территорий сельхозугодий [4].

Соответствующие статистические характеристики высот модели рельефа SRTM в зависимости от типа отражающей поверхности, вычисленные по тем же контрольным точкам, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Показатели точности высот модели рельефа SRTM

tabl-2

Приведенные в табл. 2 показатели точности, как и для модели рельефа ALOS/PALSAR, указывают на существенное влияние типа и характера отражающей поверхности на величину систематической и случайной ошибки высоты ЦМР SRTM. Причем закон распределения ошибок высот также близок к нормальному закону, за исключением территории сельхозугодий.

На рис. 4, в качестве примера, приведены гистограммы частот центрованных ошибок высот моделей SRTM и ALOS/PALSAR для городской территории с наложенными кривыми нормального распределения.

Рис. 4. Гистограммы частот ошибок высот ЦМР SRTM и ALOS/PALSAR для территории городской застройки
Рис. 4. Гистограммы частот ошибок высот ЦМР SRTM и ALOS/PALSAR для территории городской застройки

Сравнивая данные, приведенные в табл. 1 и 2, необходимо отметить практическое равенство систематических ошибок рассматриваемых моделей: вне зависимости от типа и характера отражающей поверхности, взаимное расхождение между ними не превышает 1 м.

Отношение величины случайных ошибок высот радарной модели рельефа ALOS/PALSAR к ошибкам модели SRTM для территорий городской застройки и лесных массивов в среднем составляет 1,3–1,4, для территории сельхозугодий это отношение возрастает до 2,5–2,7. Возможной причиной такого понижения точности модели ALOS/PALSAR по отношению к модели SRTM является достаточно ярко выраженная сезонная изменчивость поверхности сельхозугодий в отличие от поверхности лесных массивов и городской застройки.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ю.Б. Баранов, Ю.И. Кантемиров, Е.В. Киселевский, М. А. Болсуновский. Построение ЦМР по результатам интерферометрической обработки радиолокационных изображений ALOS PALSAR / Геоматика. –2008, №1, с. 37-45.
  2. И.В. Оньков. Оценка точности построения ЦМР методом радарной интерферометрии по снимкам ALOS PALSAR / Геоматика. –2012, №3, с. 33-38.
  3. Ю.И. Кантемиров. Обзор основных методик обработки радарных данных ДЗЗ и их реализация в программном комплексе SARscape / Геоматика. – 2012, №1, с. 30-43.
  4. Болшев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука. Главная редакция физико-математическом литературы, 1983. –416 с.