Автоматическое создание цифровой модели рельефа по материалам «случайной» стереосъёмки группировки космических аппаратов типа «Ресурс-П»

0

Жарова Н. Э., Беленов А. В., Чибуничев А.Г., 2017

С конца 2016 года данные российской группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, включая аппараты типа «Ресурс П», стали коммерчески доступны на территории России, стран СНГ и дальнего зарубежья. В статье рассматривается возможность создания цифровых моделей местности по «случайной» стереопаре, составленной из разновременных снимков двух различных аппаратов типа «Ресурс-П». Для анализа использовались снимки одного и того же участка местности за разные даты, полученные аппаратурой «Геотон-Л1» в панхроматическом диапазоне двумя разными космическими аппаратами: Ресурс-П №2 и Ресурс-П №3. Обработка осуществлялась в ПО Trimble SATMaster  в полностью автоматическом режиме. Также проведена оценка точности полученной модели по контрольным материалам.

Космическая съемка, «Ресурс-П», «случайная» стереопара, цифровая модель рельефа.

Для цитирования: Жарова Н. Э., Беленов А. В., Чибуничев А.Г. Автоматическое создание цифровой модели рельефа по материалам «случайной» стереосъемки группировки космических аппаратов типа «Ресурс-П»  // Геодезия и картография. – 2017. – Т. 0. – № 0. – С. 0–0. DOI: 10.22389/0016-7126-2017-920-0-00-00.

В декабре 2016 года Госкорпорация «РОСКОСМОС» подписала ряд соглашений на коммерческое распространение данных космической съемки, выполненной российской группировкой космических аппаратов, на территории России, стран СНГ и дальнего зарубежья. В состав этой группировки в настоящий момент входят в том числе три аппарата типа «Ресурс-П», выведенные на орбиту 25 июня 2013г. — №1, 26 декабря 2014г. — №2 и 13 марта 2016г. — №3. Все аппараты работают на околокруговой, солнечно-синхронной орбите со средней высотой 475 км и наклонением 97,276º, обеспечивающей периодичность наблюдения одним аппаратом не более 3 суток [3].

Аппараты предназначены для получения высокоинформативных изображений земной поверхности в различных диапазонах спектра электромагнитного излучения в масштабе времени, близком к реальному для решения широкого спектра задач в интересах заказчиков (Минприроды России, МЧС России, Россельхоза, Росрыболовства, Росгидромета и др.) [1].

В комплекс целевой аппаратуры данных космических аппаратов входит оптико-электронный комплекс «Геотон-Л1», который позволяет выполнять съемку с пространственным разрешением 0.7-1.0 м в панхроматическом канале (0.58-0.80 мкм) и 2.0 3.0 м в мультиспектральных каналах (всего 7 спектральных каналов: синий 0.45-0.52 мкм, зеленый 0.52-0.60 мкм; два красных + крайний красный 0.61-0.68, 0.67-0.70, 0.70-0.73 мкм и два ближних ИК 0.72-0.80, 0.80-0.90мкм) в различных режимах съемки (объектовая/маршрутная/стерео/площадная) [3].

Появление на рынке российских данных ДЗЗ сверхвысокого пространственного разрешения открывает возможность подробного исследования этих материалов с целью определения возможных точностей геоинформационных продуктов, полученных на их основе. Причем доступ к этим данным российскими компаниями не осложняется существующей ситуацией с международными санкциями, а ценообразование лишено составляющей курса валют.

Стереоскопическая съемка. Для последующего использования материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с целью извлечения трехмерной пространственной информации выполняют специальную стереосъемку. Стереосъемка – это один из режимов съемки для получения двух (или более) изображений одного участка местности с двух различных точек в пространстве, формирующих базис фотографирования.

Космические аппараты типа «Ресурс-П» обладают высокой степенью маневренности и могут выполнять съемку с отклонением по крену и тангажу до ±45, по рысканью – до ±60 градусов [3]. Благодаря этому стереопары могут быть получены одним аппаратом типа «Ресурс-П» с одного витка путем перенацеливания системы по тангажу. Такой принцип получения стереопары космических снимков (конвергентная съемка с одного витка) в мировой практике используется наиболее часто, так как снимки получаются при идентичных условиях освещенности и состоянии земной поверхности и могут быть получены при оптимальной геометрии.

Традиционно основной характеристикой геометрического качества стереопары считается отношение базиса фотографирования к высоте (B/Н). Однако основным недостатком использования такого критерия оценки является то, что данное соотношение не учитывает общего отклонения стереопары от идеального (надирного) случая съемки. При работе с данными космических аппаратов, которые имеют возможность изменять ориентацию оптической системы, для оценки геометрического качества стереопары корректнее использовать три угловых параметра: угол конвергенции, угол асимметрии и высоту биссектрисы угла конвергенции (Рисунок 1) [9].

Угол конвергенции – аналог отношения B/Н в случае конвергентной съемки – угол между двумя проектирующими лучами пары снимков, составляющих стереопару, которые пересекаются в одной наземной точке М, измеренный в базисной (эпиполярной) плоскости. Оптимальное значение B/Н или угла конвергенции для создания цифровой модели местности считается 0.5-0.9 или 30° 60° соответственно, которое выбирается с учетом типа рельефа территории, на которую выполняется съемка [5,7].

Рис. 1. Основные геометрические параметры стереопары космических снимков.
Рис. 1. Основные геометрические параметры стереопары космических снимков.

Также стереосъемка может быть выполнена одним аппаратом с разных витков при повторной съемке того же участка. Использование стереопар, полученных КА Ресурс-П №1 на одном витке и на разных витках, для создания трехмерных моделей местности описано в [4].

Однако наличие в группировке трех идентичных аппаратов существенно расширяет возможности построения стереопар и создания трехмерных продуктов. В данной статье рассматривается возможность использования данных разновременной моносъемки с аппаратов типа «Ресурс-П», которая выполнялась в соответствии с существующим съемочным планом и привела к созданию повторного покрытия одного участка местности с большим перекрытием, а геометрия этой пары снимков позволяет использовать их для стереоскопической обработки. При описании такой пары снимков в работе будет использоваться термин «случайная» стереопара.

Построение цифровой модели рельефа. В качестве тестовых данных использовались материалы маршрутной моносъемки территории Воронежской области, предоставленные АО «Российские космические системы», которые были подобраны с целью создания бесшовного ортопокрытия на территорию Воронежской области (Жарова Н. Э., Лютивинская М. В. ОРТОРЕГИОН на основе данных с КА серии «РесурсП» // Геопрофи. –2017. – № 3 – С. 11–16).

Это стандартные панхроматические продукты, полученные съемочной аппаратурой «Геотон‑Л1» и уровня обработки 1А, в состав поставки которых входит изображение (GSD = 0.7м, радиометрическое разрешение – 10 бит, ширина полосы съемки в надир – 38 км, формат GeoTIFF) и коэффициенты RPC-полиномов в формате XML.

Среди 7 снимков, покрывающих заданный участок местности, была выбрана пара, имеющая наибольшую площадь перекрытия (~1500 кв.км). Основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики снимков «случайной» стереопары

Снимок №1 Снимок №2
ID 0043_0102_01947_1_01941_05_10 0042_0102_02511_1_02495_04_10
Дата съемки 18.07.2016 07.06.2015
Космический аппарат Ресурс-П №3 Ресурс-П №2
Угол отклонения от надира 12.29° 13.95°
Облачность 10% 3%

 

На первом этапе необходимо вычислить угол конвергенции как основной критерий приемлемости пары для последующей обработки с целью создания трехмерных продуктов.

Рис. 2. Связь между положением космических аппаратов и углом конвергенции.
Рис. 2. Связь между положением космических аппаратов и углом конвергенции.

Согласно рисунку 2 для вычисления угла конвергенции С нужно знать угол высоты аппарата SatEl в момент съемки (может быть рассчитан по углу отклонения от надира), а также азимут визирования на цель SatAz [8].

cos С = sin SatEl • sin SatEl2 + cos SatEl • cos SatEl2 • cos(SatAz2 – SatAz1)

В передаваемых заказчику метаданных снимков аппаратов типа «Ресурс-П» представлено только значение азимута применительно к вектору скорости КА aAzimutScan, а не азимута визирования на цель. Также нет других элементов, позволяющих рассчитать нужный параметр. Поэтому определить точное значение угла конвергенции для пары снимков с КА типа «Ресурс-П», по предоставленным метаданным невозможно.

Посредством визуальной оценки высотных объектов, изображенных на данных снимках (здания, у которых при данном угле отклонения от надира на изображении виден фасад), был сделан вывод о том, что углы отклонения оптической оси от надира по тангажу были минимальны, а основной составляющей угла отклонения от надира являются углы крена. В таком случае для грубого расчета значения угла конвергенции воспользуемся простой суммой значений углов отклонения от надира. Полученное значение угла конвергенции C = 26.4° позволяет использовать данную «случайную» стереопару для извлечения трехмерной информации. Данный подход не является математически строгим, однако все же позволяет выполнить грубую оценку геометрического качества «случайной» стереопары.

Помимо возможности применения исследуемых материалов съемки для извлечения высотной информации, интересно до обработки оценить ожидаемую точность результатов. Предварительный расчет точности, основанный на анализе геометрии съемки, можно выполнить с использованием модифицированной формулы, предложенной В.А.Мышляевым [2]:

screenshot-2

где Δh — ожидаемая точность определения высот точек местности по стереопаре космических снимков, L0 — величина проекции стороны пикселя на местность при съемке в надир (для данных с «Ресурс-П» составляет 0.7м),  γ1 и γ2– углы крена съемочной камеры (принимаем значения углов отклонения от надира, считая углы тангажа равными 0), k — ошибка измерения продольного параллакса. Если принять значения k1 = k= 0.5, то Δh = 1.6м.

Однако нужно понимать, что в случае автоматического извлечения трехмерных моделей по данным космической съемки на результирующую точность оказывает влияние множество других компонентов, не относящихся к геометрии съемки, таких как: тип рельефа, радиометрия изображений, алгоритм отождествления, распределение и точность опорных точек, точность модели сенсора.

Точность геопозиционирования пары снимков, описанных с помощью RPC‑коэффициентов, может быть улучшена путем их блочного уравнивания с использованием опорных точек [6]. В данном исследовании использовались 4 точки, координаты которых были определены геодезическими методами с точностью 0.5 м в плане и по высоте (Рисунок 3).

Фотограмметрическая обработка была выполнена в программном комплексе Trimble SATMaster версии 8.0.5. В зависимости от конфигурации блока (протяженности снимков и распределения опорных точек) SATMaster автоматически выбирает количество вычисляемых поправок. Наличие опорной информации позволяет рассчитать поправки сдвига. Для протяженных снимков (сторона изображения более 25000 пикселей) дополнительно вычисляется поправка в масштаб, которая учитывает радиальные ошибки эфемерид и ошибки элементов внутреннего ориентирования (фокусного расстояния и дисторсии) (Satellite Triangulation Tutorial for Version 7.0 and higher / Trimble Germany, 2015. – 49 с.) (Таблица 2).

Рис. 3. Схема блока пары космических снимков.
Рис. 3. Схема блока пары космических снимков.

Таблица 2. Результаты уравнивания

Поправки RPC-моделей снимков
ID снимка Сдвиг X, м Масштаб X Сдвиг Y, м Масштаб Y
1 -0.225729 0 -1.37466 9.18526e-06
2 -0.596566 0 -0.322733 -4.8803e-07
Оценка точности уравненных координат опорных точек
ID точки Остаточная погрешность по X, м Остаточная погрешность по Y, м Остаточная погрешность по Z, м
1 0.00 -0.02 0.08
2 0.01 0.06 0.00
3 0.01 -0.04 -0.01
4 -0.02 0.00 -0.07

 

Далее в полностью автоматическом режиме с использованием метода отождествления одноименных точек Feature Based Matching (FBM), была построена регулярная цифровая модель рельефа (ЦМР) с шагом 3 м (Рисунок 4).

Рис. 4. Автоматически построенная ЦМР и распределение контрольных точек.
Рис. 4. Автоматически построенная ЦМР и распределение контрольных точек.

Для оценки точности полученной ЦМР были использованы координаты пунктов государственной геодезической сети из открытых цифровых топографических карт  масштаба 1:50 000. За  плановую точность пунктов ГГС, снятых с топографического картматериала, примем ошибку их нанесения равную  0.2 мм в масштабе карты или 10м. Так как высоты пунктов нанесены  на открытый картматериал из каталогов с округлением до целого метра, то с учетом правил округления принимаем их высотную точность равную 0.5м. Всего для оценки было использовано 189 точек (Таблица 3).

Таблица 3. Оценка точности автоматически построенной ЦМР

Параметр Значение
Максимальная ошибка на опорных точках по высоте, м 1,26 м
СКО на опорных точках по высоте, м 0,83 м
Максимальная ошибка на контрольных точках по высоте, м -28,44 м
СКО на контрольных точках по высоте, м 7,64 м

 

При создании цифровой модели рельефа во внутреннем формате программных продуктов Inpho – Scope.DTM – каждой ячейке регулярной модели рельефа (матрицы высот) присваивается маркер точности отождествления. Различают области высокой, средней и низкой точности отождествления. Если значение ячейки матрицы высот было получено путем интерполяции множества значений автоматически отождествленных точек, то данной ячейке присваивается маркер высокой точности отождествления. Такое автоматическое выделение областей разного уровня результирующей точности позволяет оператору быстро определить зоны, где может потребоваться ручное редактирование полученной модели.

В случае использования «случайных стереопар» можно предположить, что низкая точность отождествления может быть связана со значительными радиометрическими различиями некоторых участков, предварительное исключение которых должно положительно отразиться на качестве полученной модели рельефа. Так, в данном исследовании используется пара снимков, которые были получены с разницей в год и на разных стадиях вегетационного периода. Для выделения участков, характеризующихся наибольшими различиями, был создан разновременной композит – новое растровое изображение, созданное из каналов раннего и позднего снимков одной территории. При этом участки с возросшей яркостью изображения (новые объекты строительства, нарушения и изменения почвенного и растительного покрова и др.) на композите имеют розовые и фиолетовые оттенки. Участки, для которых характерно уменьшение яркости (зарастание открытых территорий, зоны подтопления и др.) имеют зеленые оттенки (Рисунок 5).

Рис. 5. Разновременной композит.
Рис. 5. Разновременной композит.

Для полученного композита была применена процедура автоматизированной векторизации с использованием настраиваемых порогов отсечения и фильтрации, что позволило получить контуры значимых для исследуемой территории изменений.

На рисунке 6 для автоматически извлеченной ЦМР оставлены только области высокой точности отождествления, а также показан вектор, описывающий наиболее значимые радиометрические изменения. Анализируя рисунок 6 можно сделать вывод о том, что для некоторых районов низкая точность отождествления действительно связана с радиометрическими различиями снимков (наложение «дырок» и вектора на облачных участках снимков, на участках выращивания сельскохозяйственных культур и т.п.).  Тем не менее, большая часть областей с низкой точностью  отождествления в нашем случае вероятнее всего связана с использованным методом отождествления: метод FBM не позволяет надежно определить одноименные точки в областях с лесной растительностью, в низкотекстурных областях (например, поля и луга), на водных поверхностях.

Вопрос о степени влияния радиометрических разностей на качество автоматически извлекаемых цифровых моделях рельефа и ее снижения требует отдельного детального исследования.

Рис. 6. Области ЦМР высокой точности отождествления и вектор наибольших радиометрических различий снимков «случайной» стереопары (показан красным цветом).
Рис. 6. Области ЦМР высокой точности отождествления и вектор наибольших радиометрических различий снимков «случайной» стереопары (показан красным цветом).

Контроль точности полученной модели с исключенными участками заведомо низкой точности осуществлялся по 78 точкам. Результаты оценки представлены в таблице 4. Для сравнения в таблице представлена информация из работы [7] для стереопары с значением угла конвергенции С = 32,6°, составленной по снимкам КА Ресурс-П №1, которые были получены на разных витках.

Таблица 4. Сравнительный анализ ЦМР

Параметр Значение
Тип стереопары «Случайная» стереопара Разные витки, один аппарат [7]
Угол конвергенции 26° 32,6°
Максимальная ошибка на опорных точках по высоте, м 1,26 м
СКО на опорных точках по высоте, м 0,83 м
Максимальная ошибка на контрольных точках по высоте, м 11,82 м 5,66 м
СКО на контрольных точках по высоте, м 3,54м 3,65 м

 

Заключение. Данное исследование подтверждает технологическую состоятельность использования «случайных» стереопар, полученных космическими аппаратами типа «Ресурс-П»,  для создания цифровых моделей рельефа. При этом полученная модель сопоставима по точности с результатами, представленными в работе [4].

Точность  полученной цифровой модели рельефа достаточна  для ортотрансформирования снимков сверхвысокого пространственного разрешения в масштабах 1:10000 и мельче, а выполнение комплекса стереотопографических работ позволит изготовить векторный слой горизонталей   масштаба 1:50 000.

Однако стоит отметить, что поиску архивных данных, подходящих для составления геометрически качественной стереопары, препятствует недостаточный объем информации, представленной в метаданных КА типа «Ресурс-П». В связи с этим для подбора российских материалов ДЗЗ в целях составления «случайных» стереопар в настоящий момент необходимо иметь непосредственный доступ к набору исходных снимков на  нужную территорию для их визуальной оценки. Включение в метаданные информации о направлении визирования на объект съемки позволило бы полностью решить эту проблему и значительно расширить спектр использования отечественных космических снимков.