Продукт ОРТОРЕГИОН® на основе данных с КА Ресурс-П

А.В Беленов, А.В. Абросимов

О компании «Совзонд»

Компания «Совзонд» — ведущий российский системный интегратор в области геоинформационных технологий и аэрокосмического мониторинга. Вот уже более 20 лет компания поставляет инновационные программные продукты, сервисы для работы с геопространственными данными, актуальные геоинформационные данные высокого качества.

О линейке продуктов ОРТОРЕГИОН

С 2008 года компания «Совзонд» выпускает востребованный и отлично зарекомендовавший себя на отечественном рынке данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса «коробочный» продукт ОРТОРЕГИОН (также известен как ОРТО25). Этот продукт представляет собой бесшовное выровненное по цветам растровое покрытие высокой плановой точности (СКО в плане 10м) с пространственным разрешением 2,5 м и с нарезкой по границам административных районов или регионов Российской Федерации. Приобретая такой продукт, потребитель получает полностью готовые к отраслевому использованию материалы ДЗЗ гарантированной точности и изобразительного качества, представленные в стандартном ГИС-формате.

В основе продукта лежат снимки с японского космического аппарата ALOS/PRISM (JAXA). Ортотрансформирование снимков выполняется с помощью входящих в поставку коэффициентов рациональных полиномов (RPC) без применения наземных опорных точек, в качестве информации о рельефе местности используется открытая общедоступная цифровая модель рельефа SRTM. Высокое качество продукта ОРТОРЕГИОН объясняется надежной точностью значений RPC-коэффициентов, сопровождающих каждую сцену съемки, а также использованием в мозаике надирных снимков [1].

Независимые исследования точности, проведенные специалистами нескольких российских компаний, показали, что продукт ОРТОРЕГИОН может быть использован в качестве основы для создания и обновления топографических карт и другой картографической продукции вплоть до масштаба 1:25 000 без привлечения дополнительных данных.

С появлением коммерчески доступных глобальных данных сверхвысокого пространственного разрешения компанией было принято решение о развитии линейки ортотрансформированных мозаик типа ОРТОРЕГИОН в направлении укрупнения масштаба. Продукт ОРТО10 также представляет собой региональное ортомозаичное покрытие, но в его основе лежат ортокорректированные снимки, полученные космическими аппаратами, осуществляющими съемку со сверхвысоким пространственным разрешением (не хуже 1 м) на местности (WorldView-1,2,3, GeoEye-1). Точность входящих в поставку коэффициентов рациональных полиномов (RPC) для снимков с перечисленных КА ДЗЗ позволяет изготавливать ортомозаики, удовлетворяющие требованиям картографическим материалам масштаба 1:10 000 без использования наземных опорных точек, что также было подтверждено независимыми оценками [2].

В настоящее время компания «Совзонд» выпускает линейку ортотрансформированных мозаик под общим названием ОРТОРЕГИОН, куда входят упомянутые продукты ОРТО10 и ОРТО25, а также ОРТО 50, ОРТОРЕГИОН+МОНИТОРИНГ [3].

Одним из ключевых достоинств линейки продуктов ОРТОРЕГИОН является высокая плановая точность при высокой скорости их создания. Также преимуществом работы с такими данными является возможность сразу загрузить их в используемую ГИС-оболочку (Mapinfo Professional, ArcGIS, ГИС «Панорама», AutoCad и т. п.) и приступить к работе, минуя все промежуточные стадии (заказ съемки, специальная обработка полученных данных и т.д.). Высокое качество продукта оценили российские и зарубежные пользователи, в числе которых такие авторитетные организации как ФГБУ «Рослесинфорг», АО «Уралгеоинформ», ОАО «Севзапгеоинформ», АО «НИиП центр «Природа», ГУП «Научно-аналитический центр рационального недропользования им. В.И.Шпильмана», ООО «Тримм», АО «Казгеокосмос» и др.

О КА «Ресурс-П»

В декабре 2016 года Компания «Совзонд» подписала дистрибьюторское соглашение с ГК «Роскосмос» на поставку данных со спутников «Ресурс-П» и «Канопус-В» на территории России, стран СНГ и дальнего зарубежья. Стоит оетить, что заказы  на новую съемку со спутников серии «Ресурс-П» и «Канопус-В» размещаются без обязательств по выкупу, то есть заказчик принимает решение о покупке данных только по результатам съемки.

На сегодняшний момент орбитальная группировка спутников серии «Ресурс‑П» насчитывает три космических аппарата: «Ресурс-П» №1, «Ресурс-П» №2 и «Ресурс-П» №3. Установленный на КА оптико-электронный комплекс «Геотон-Л1» позволяет выполнять съемку с пространственным разрешением 0,7–1 м в панхроматическом канале (0,62–0,79 мкм) и 2–3 м в мультиспектральных каналах (всего 7 спектральных каналов: синий 0,48–0,52 мкм, зеленый 0,54–0,59 мкм; красный + крайний красный 0,62–0,68; 0,66–0,69; 0,7–0,74 мкм и ближний ИК 0,72–0,8; 0,8–0,9 мкм) в различных режимах съемки (объектовая/маршрутная/стерео/площадная) [4]. Стоимость съемки с КА «Ресурс-П» на данный момент составляет 388,8 руб. за 1 кв. км архивной съемки и 661 руб. — за 1 кв. км для новой съемки (срок поставки от 72 часов с момента съемки).

Новый продукт в линейке региональных ортомозаик

Принимая во внимание популярность линейки продуктов ОРТОРЕГИОН и учитывая выход отечественных данных дистанционного зондирования на коммерческий рынок, компания «Совзонд» планирует последующее расширение линейки региональных ортомозаик. Новый продукт будет создан на основе данных с отечественных аппаратов «Ресурс-П» №1, №2, №3. Модель распространения останется той же — в форме картометрического мозаичного покрытия с нарезкой по регионам России в стандартных ГИС-форматах. По своим точностным характеристикам новый продукт не будет уступать продукту ОРТО25. Покрытие может быть черно-белым или цветным (RGB). Отличительная особенность нового продукта – более высокое по сравнению с ОРТО25 пространственное разрешение не хуже 1 м (против 2,5 м) и точность геопозиционирования на уровне 5–10 м в зависимости от типа рельефа местности.

О точности исходных материалов «Ресурс-П»

В качестве исходных данных используются стандартные продукты, полученные съемочной аппаратурой «Геотон-Л1» и прошедшие первичную обработку. В состав стандартной поставки входят панхроматический и мультиспектральный снимки уровня обработки 1А в формате GeoTIFF и коэффициенты RPC-полиномов в формате XML.  Разрешение на местности составляет  приблизительно 0,7 м, радиометрическое разрешение — 10 бит, ширина полосы съемки в надир – 38 км. Уровень обработки 1А предполагает, что для снимка выполнена радиометрическая и геометрическая коррекция без трансформирования в картографическую проекцию [5]. Заявленная поставщиком точность ортотрансформирования снимков с использованием входящей в поставку модели в виде RPC-коэффициентов  не хуже 50 м (СКО) [5]. Так как это значение не удовлетворяет целевым характеристикам нового геоинформационного продукта, данные о геопривязке снимков нуждаются в уточнении. Подготовка полевой опорной информации в масштабах региона/области и даже города требует больших финансовых вложений и временных затрат. Такой подход влечет существенное удорожание результирующих данных и не удовлетворяет целям доступности конечного продукта широкому кругу потенциальных пользователей, поэтому возникает задача найти открытый источник опорной информации на всю территорию Российской Федерации.

Исследование  Публичной кадастровой карты (ПКК)

Компания «Совзонд» провела исследования на предмет возможности использования публичной кадастровой карты Росреестра в качестве источника опорных точек. Публичная кадастровая карта предназначена для публикации в интернете данных Государственного кадастра недвижимости (ГКН), карта доступна в режиме онлайн для любого пользователя сети интернет [6]. На ней указаны все границы районов и городов, оечены важные промышленные объекты, железные дороги, автомагистрали, линии электропередач и прочее.

В ходе исследований специалисты компании «Совзонд» произвели стандартную фотограмметрическую обработку панхроматических космических снимков с КА «Ресурс‑П» №1 уровня обработки 1А. В качестве опорных точек использовались объекты публичной кадастровой карты, которые могут быть надежно дешифрированы на космическом снимке, такие как опоры линий электропередач и границы земельных участков, совпадающих по форме на снимке и на кадастровой карте. В качестве информации о рельефе местности использовалась открытая матрица высот Shuttle Radar Topography Mission Version 3.0  (SRTM) [7]. Плановая точность измерения контрольных точек на ортотрансформированных снимках (СКО) составила 3–5 м (Рисунок1).

Рисунок 1. – Высоковольтные и низковольтные ЛЭП на кадастровой карте и на ортофотоплане

Выполненные исследования позволяют сделать вывод о том, что точность ортоизображений, созданных на основе данных с КА «Ресурс-П» уровня обработки 1А, с использованием в качестве опорной информации выверенных объектов определенного типа, опубликованных в публичной кадастровой карте Росреестра, соответствует точности картографических материалов М 1:10 000.

Описание работ по созданию продукта ОРТОРЕГИОН

В качестве тестового участка для отработки технологии и качественной оценки результирующего покрытия выступила территория Воронежской области (несколько районов) общей площадью ~10 000 кв. км, на которую АО «Российские космические системы»  были предоставлены космические снимки.

Данная территория была покрыта 7 панхроматическими и мультиспектральными сценами с КА «Ресурс-П» (4 снимка «Ресурс-П» №1, 2 снимка «Ресурс-П» №2, 1 снимок «Ресурс-П» №3) с углами отклонения от надира от 6 до 17,5 градусов.

Рисунок 2. – Схема покрытия Воронежской области данными с КА серии «Ресурс-П»

Этапы создания  панхроматического продукта «Орторегион»:

Блочное уравнивание.

Для создания максимально точной и качественной ортомозаики из множества перекрывающихся космических снимков требуется их блочное уравнивание:

1. Измерение связующих точек для минимизации расхождения между перекрывающимися изображениями.
2. Измерение наземных опорных точек для уточнения исходной модели снимков
3. Вычисление параметров трансформирования путем минимизации и распределения ошибок по изображениям и опорным точкам.

Точность геопозиционирования блока снимков с помощью RPC‑коэффициентов может быть улучшена путем измерения опорных точек, что подтверждено многочисленными исследованиями [8].  Требуемое количество опорных точек зависит от типа съемочной системы, размера изображения, применяемого метода ориентирования снимка, геометрии съемки, рельефа местности.

На этапе уравнивания блока необходимо обнаружить и исключить грубые измерения (в том числе объекты ПКК, содержащие грубые ошибки и, самое главное, имеющие низкую точность взаимного расположения) и выполнить оценку качества модели. Данный этап требует высокой тщательности, принимая во внимание тот факт, что далеко не все элементы кадастровой карты могут быть использованы как опорная информация.

Ортотрансформирование и создание мозаики.

Для ортотрансформирования использовалась общедоступная матрица высот SRTM.

Полученные ортотрансформированные снимки прошли процедуру цветового выравнивания, то есть радиометрического согласования смежных изображений будущей мозаики. Далее ортотрансформированные снимки были объединены в единую бесшовную тонально сбалансированную панхроматическую  мозаику (Рисунок 3).

Рисунок 3. – Результирующая  панхроматическая ортомозаика на территорию Воронежской области.

Оценка точности и качества

Геометрическая точность проверялась по отклонениям планового положения контрольных точек на ортомозаике и по расхождениям контуров на линиях сшивки. В качестве контрольных данных использовались общедоступные GPS-треки и объекты ПКК определенного типа, которые надежно дешифрировались на ортомозаике (Рисунок 4). В результате оценки среднее отклонение планового положения контрольных точек составило 3 м, а максимальное — 5 м. Полученные значения отклонений в контрольных точках удовлетворяют требованиям, установленным в инструкции [9], согласно которой они должны быть не более 5 м (0,5 мм в масштабе фотоплана 1:10 000).

Рисунок 4. – Контроль точности ортомозаики, построенных по данным КА «Ресурс-П» (красный — объекты ПКК, синий — GPS-треки).

Контроль совмещения контуров по порезам, которое не должно превышать допуска 0,7 мм в масштабе фотоплана (7 м для М 1:10 000), указанного в п.4.9 инструкции [12], также подтвердил ожидаемую точность результирующей ортомозаики (Рисунок 5).

Рисунок 5. – Линия сшивки и качество тонального выравнивания.

Изготовление цветного продукта «Орторегион».

Очевидно, что цветное изображение более информативно, чем черно-белое. Комбинируя цветной снимок низкого разрешения с панхроматическим снимком высокого разрешения одной и той же территории, то есть присваивая пикселам панхроматического изображения цвет, можно получить новое комплексированное изображение высокого разрешения. Процедура улучшения пространственного разрешения мультиспектральных снимков и повышения визуальных качеств характеристик исходных панхроматических снимков называется паншарпенинг (от англ. «panchromatic sharpening») или комплексирование.

При изготовлении цветного продукта «Орторегион» мультиспектральные изображения уровня обработки 1A прошли процедуру ортотрансформирования с использованием опорных точек, снятых с соответствующих им ортотрансформированных панхроматических изображений. Этот этап необходим для более точного пространственного совмещения панхроматического и мультиспектрального снимков уровня обработки 1А.

Процедура паншарпеннинга для цветных и мультиспектральных ортоизображений была выполнена с использованием модифицированного  преобразования Бровея и специально подобранными коэффициентами для аппаратуры «Геотон» спутника «Ресурс-П». Учитывая спектральный диапазон панхроматического канала аппаратуры «Геотон» (0,62–0,79 мкм) для выполнения комплексирования обязательно наличие снимков в зеленой (0,54–0,59 мкм), красной (0,62–0,68 мкм) областях видимого диапазона и ближнем инфракрасном диапазоне (0,72–0,80 мкм). На рисунках 6 показаны примеры панхроматического изображения, мультиспектрального изображения и результат их комплексирования.

Рисунок 6. – Мультиспектральный снимок КА «Ресурс-П», панхроматический снимок КА «Ресурс-П», и результат их комплексирования.

Наличие 4 спектральных каналов позволяет составлять различные варианты синтеза (Рисунок 7).

Рисунок 7. – Примеры различного синтеза снимка «Ресурс-П» после процедуры паншарпеннинга (слева направо: в естественных цветах, в «псевдо» естественных цветах).

Рисунок 8. – Результирующая  цветная ортомозаика на территорию Воронежской области.

Оценка изобразительных качеств продукта ОРТОРЕГИОН по данным с российских КА «Ресурс-П» осуществлялась визуально. Проведенные исследования показали, что мозаика воспринимается единым изображением одинаковой тональности,  расхождения по линиям сшивки смежных снимков минимизированы. По дешифровочным свойствам новый продукт близок к продуктам, созданным на базе космических снимков QuickBird и IKONOS компании DigitalGlobe (США).

Заключение

На основании полученных результатов можно анонсировать следующие основные характеристики нового продукта линейки ОРТОРЕГИОН на основе данных с КА «Ресурс-П»:

• пространственное разрешение — не хуже 1 м;
• цвет изображения — PAN/RGB;
• актуальность — 2013–н.в.;
• облачность — не выше 20%;
• динамический диапазон — 8 бит;
• система координат — мировая геодезическая система WGS-84;
• абсолютная точность на равнинные районы — 5 м.

Данный продукт может быть использован для обновления топографических карт масштабов 1:25 000 – 1:50 000, создания тематических и навигационных карт, создания WEB-приложений, для решения задач навигации на основе космических снимков.

Также следует оетить возможность применение нового продукта в качестве подложки для ведения Государственного кадастра недвижимости, так как согласно приказу Министерства экономического развития Российской Федерации  N 848 от 13 ноября 2015 г. картографической основой единого государственного реестра недвижимости являются ортофотопланы масштабов 1:2000 – 1:25 000  в зависимости от  типа территории.

Госорганы могут получить продукт ОРТОРЕГИОН на основе данных с КА «Ресурс-П», оплатив только стоимость обработки данных.

Список литературы:

8. 8. Критерии выбора данных ДЗЗ для топографического картографирования; Адров Ð’.Н., Карионов Ю.И., Титаров П.С., Чекурин А.Д. («Ð Ð°ÐºÑƒÑ€Ñ», Москва); электронный ресурс: http://www.racurs.ru/?page=39.
9. Инструкция инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов, ГКИНП (ГНТА)–02-036-02, Москва, ЦНИИГАиК, 2002.
10. Release Notes for Inpho 7.1.3 to 8.0.3 incl. SATMaster/TRSS; 2016.