Разработка и исследование методики фотограмметрической обработки одиночных космических сканерных изображений

Зарубежный и отечественный опыт свидетельствует о том, что центральным звеном системы геопространственного информационного обеспечения (ГиО) жизнедеятельности и развития регионов являются территориально-распределённые базовые, тематические и специализированные информационные базы данных, сопряжённые между собой на единой цифровой картографической основе. При этом, главным условием, определяющим не только эффективность функционирования, но и саму способность ГиО по решению возложенных на него задач, является создание цифровой картографической основы (ЦКО) на территорию региона с требуемой полнотой, своевременностью и достоверностью и дальнейшее поддержание её в актуальном состоянии [5−15].

В соответствие с концепцией создания ГИС ОГВ [1] ЦКО должна включать в себя совокупность координатно-привязанных и сопряженных между собой электронных топографических и тематических карт различных уровней детальности (масштабов) [16]. Сложность решения задачи создания ЦКО с требуемой полнотой, детальностью и качеством состоит в том, что в настоящее время, особенно на региональных и муниципальных уровнях, существует критическое положение с цифровым картографическим обеспечением. Практически все требующиеся номенклатуры бумажных топографических карт на региональных, а тем более на муниципальных уровнях, не обновлялись в течение 20−25 лет [17−20]. В этой связи создание ЦКО путём сканирования бумажных оттисков устаревших топографических карт и планов не представляется целесообразным [17].

В то же время, уникальность данных ДЗЗ из космоса состоит в том, что, космические изображения являются носителями актуальной видовой информации об обширных территориях. При этом, так называемые ортогеокодированные данные ДЗЗ обладают измерительными свойствами топографических карт, что обуславливает широкие возможности их применения, начиная с разработки и обновления на их основе электронных топографических и тематических карт, схем и планов местности [21−24] и, заканчивая, непосредственным решением целого ряда визуальных, расчётных и прогнозных тематических и прикладных задач [25 -39]. Эти ортогеокодированные данные представляют собой координатно-привязанные (геокодированные), трансформированные в заданную проекцию и сопряжённые между собой цифровые изображения обширных территорий.

Таким образом, орбитальным средствам ДЗЗ из космоса принадлежит ключевая роль в обеспечении условий функционирования ГИС как технологического ядра ГиО [39]. В то же время, исходная космическая видовая информация непригодна для её использования в этих целях и нуждается в фотограмметрической обработке. Проведенный анализ показал, что на современном уровне развития систем управления, космической спутниковой навигации и автономной угловой ориентации КА, наиболее перспективным методом фотограмметрической обработки космических сканерных изображений, является орбитальный метод космической фотограмметрии. Существующая научная база применения орбитального метода, основанного на использовании фотограмметрических модели, обеспечивающей строгое математическое описание функциональных зависимостей между порядковыми номерами пикселей одиночного сканерного изображения и геоцентрическими координатами соответствующих им точек местности, достаточно глубоко проработана. Вместе с тем, использование современных космических оптико-электронных систем (ОЭС) видового наблюдения (ВЫ) в режимах съёмки с трёхосным угловым движением КА, существенно усложняет математическое описание её геометрии в терминах аналитической фотограмметрии, и требует системного учёта многочисленных факторов, влияющих не только на геометрические, но и на фотометрические характеристики формирующегося маршрута изображения. Существующие подходы сводятся либо к применению различных полиномиальных методов, не имеющих под собой физической сущности и не позволяющих моделировать эти процессы, либо к сложнейшим геометрическим построениям. В обоих случаях приемлемая для практики адекватность известных моделей обеспечивается только на коротких (до 5 секунд) интервалах съёмки.

Кроме этого, при применении орбитального метода для одиночных космических изображений не в полной мере решёна задача автоматического строгого учёта рельефа местности. Сложность её строго решения связана с тем, что, для нахождения точных пространственных координат орбитальным методом нужно априорно знать точное значение геодезической высоты точки, а это значение высоты можно получить априорно только при известных пространственных координатах. Существующие подходы к решению прямой засечки по одиночным снимкам с использованием ЦМР характеризуются значительными вычислительными затратами, связанными с непосредственным подключением ЦМР к фотограмметрической модели по методу приближений и, соответственно, с многократным обращением к ней в ходе итерационного процесса.

Цель работы состоит в состоит в разработке и исследовании методики фотограмметрической обработки одиночных сканерных изображений, получаемых современными космическими оптико-электронными системами, инвариантной к длительности включения съёмочной аппаратуры, режиму углового движения КА на интервале съёмки и характеру рельефа местности в районе съёмки. Для достижения этой цели и решения поставленной научной задачи предложена следующая трёхэтапная структурно-логическая схема исследований: геоорбитальное моделирование космической сканерной съемки с трехосным программным угловым движением КА с разработкой динамической фотограмметрической модели этого процессаразработка методики прямой засечки по одиночным космическим сканерным изображениям, учитывающей особенности характера рельефа местности в районе съёмки и минимизирующей на основе этого число итерационных вычисленийэкспериментальная оценка разработанных моделей и методики на макетных данных.

Научная новизна полученных результатов исследования состоит в следующем.

— разработана динамическая фотограмметрическая модель, обеспечивающая строгое математическое описание функциональных зависимостей между порядковыми номерами пикселей одиночного сканерного изображения и геоцентрическими координатами соответствующих им точек местности, и отличающаяся системным учётом геометрических и фотометрических характеристик формирующихся космических сканерных изображений в условиях трёхосного углового движения КА;

— разработана методика прямой фотограмметрической засечки, основанная на использовании ориентирующих углов линии визирования в горизонтальной и вертикальной плоскости ЦМР и отличающаяся учётом направленности итерационного процесса, обусловленной особенностями взаимного расположения линии визирования и ЦМР, и характера рельефа местности;

— разработана методика построения макетных сканерных изображений, позволяющая осуществлять экспериментальные исследования процессов их фотограмметрической обработки, и отличающаяся включением в комплекс аналитических моделей местности и снимка контура орбитального планирования трасс КА.

Практическая значимость полученных результатов исследования определяется тем, что они, во-первых, дают методическую основу для совершенствования организации процессов фотограмметрической обработки одиночной космических сканерных изображений при создании и обновлении региональной цифровой топографической основы. Во-вторых, результаты исследования доведены до конкретной алгоритмической и программной реализации, работоспособность которых проверена экспериментальным путем на макетных данных.

Разработанные модели и методики реализованы в НИР по теме №П2216 «Организация процессов разработки, формирования и актуализации ортогеокодированных данных дистанционного зондирования обширных территорий в интересах геоинформационного обеспечения социально-экономического развития регионов» выполняемой в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы, использованы в ОАО «НИИ ТП» при разработке технических заданий на составные части ОКР «Эпизод», в программных комплексах для организации процессов наземной обработки космических ИЗОБРАЖЕНИЯ орбитальными методами, в системных исследованиях по теме «Прием», связанной с созданием единой территориально-распределённая информационная система дистанционного зондированияи внедрены в учебном процессе при чтении лекций по дисциплинам «Основы дистанционного зондирования Земли», «Основы ГИС». Все реализации подтверждены соответствующими актами.

В диссертации получены следующие результаты, имеющие существенное значение для совершенствования организации ГиО и характеризующиеся научной новизной, которые выносятся на защиту:

— динамическая фотограмметрическая модель, обеспечивающая строгое математическое описание функциональных зависимостей между порядковыми номерами пикселей одиночного сканерного изображения и геоцентрическими координатами соответствующих им точек местности, и отличающаяся системным учётом геометрических и фотометрических характеристик формирующихся космических сканерных изображений в условиях трёхосного углового движения КА;

— методика прямой фотограмметрической засечки, основанная на использовании ориентирующих углов линии визирования в горизонтальной и вертикальной плоскости ЦМР и отличающаяся учётом направленности итерационного процесса, обусловленной особенностями взаимного расположения линии визирования и ЦМР, и характера рельефа местности;

— методика построения макетных сканерных изображений, позволяющая осуществлять экспериментальные исследования процессов их фотограмметрической обработки, и отличающаяся включением в комплекс аналитических моделей местности и снимка контура орбитального планирования трасс КА.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. В первом главе рассмотрено состояние вопроса фотограмметрической обработки данных космической ОЭС в интересах оперативного высокоточного обновления региональной цифровой картографической основы. Обоснован выбор орбитального метода. Показано, что проблемы его применение к одиночным космическим сканерным изображениям, полученным в режиме съёмки с трёхосным угловым движением КА, связаны, как с коммерческой тайной информации о конструктивных особенностях съёмочной аппаратуры и параметрах углового движения КА на интервале съёмки, необходимой для строгого моделирования этих процессов, так и с недостаточной проработанностью существующих фотограмметрических подходов к решению этой задачи. Проведенный в работе системотехнический анализ позволил обосновать выбор направлений и структурно-логическую схему исследования, связанных с совершенствованием существующих подходов, и выполнить математическую постановку задачи.

ВЫВОДЫ.

1. Разработанный комплекс моделей и алгоритмов позволяет решать целый ряд задач геоорбитального моделирования, в том числе и макетирования одиночных космических сканерных изображений любого типа при различных вариантах рельефа местности в моделируемом районе съемки. Методика геоорбиталыюго моделирования одиночных сканерных изображений включает в себя 5 этапов.

В качестве макетных значений планово-высотных координат точек на тестовом участке местности считают планово-высотные координаты точек тестового участка, соответствующие макетным значениям пикселей маршрута космического сканерного изображения и рассчитанные на выходе второго итерационного контура. При этом на входе первого итерационного контура (фотограмметрической модели) задаётся одно и то же среднее значение геодезической высоты.

В качестве оцениваемых значений полагают планово-высотные координаты точек тестового участка, вычисленные на выходе первого итерационного контура (фотограмметрической модели) при последовательном задании на входе уточнённых значений геодезических высот.

2. Разработанная методика ПФЗ обеспечивает уровень методических погрешностей не более 1%., а весь цикл уточнения плановых координат пикселей сходится за 1−2 итерации.

3.Разработанное специальное программное обеспечение геоорбитального моделирования позволяет уже в настоящее время решать ряд задач по моделированию и геокодированию космических изображений орбитальными методами с использованием ЦМР местности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Выполнен анализ существующих методов фотограмметрической обработки космических сканерных изображений. Показано, что все методы можно условно разделить на две группы: полиномиальные и орбитальные. В качестве базовых методов для дальнейшего исследования выбраны орбитальные методы. Сравнительный анализ условий применения обеих групп методов показал, что полиномиальные методы требовательны к наличию опорных точек на снимке и их равномерному расположению по полю изображения, в то время как орбитальные методы позволяют осуществлять фотограмметрическую обработку космических изображений независимо от наличия и конфигурации опорных точек. Полиномиальные методы характеризуются высокой трудоемкостью процесса, а орбитальные методы могут быть реализованы в автоматическом режиме. Эти преимущества орбитальных методов обусловили их выбор в работе в качестве базовых для организации процессов фотограмметрической обработки космических изображений при создании и актуализации регионального геоинформационного обеспечения.

2. Космическая сканерная съёмка, использующиая в качестве элементов фотоприёмной структуры приборы с зарядовой связью (ПЗС), осуществляется съёмочной аппаратурой, которая обеспечивает сканирование подстилающего участка земной поверхности через экспонирующую щель, которая при нулевом угле курса (рысканья) КА расположена перпендикулярно направлению полёта КА. В фокальной плоскости съёмочной аппаратуры расположено две линейки матриц ПЗС, расположенных в два ряда в шахматном порядке вдоль экспонирующей щели. Ближний ряд матриц ПЗС (по отношению к направлению полёта КА) считается нечётным, дальний ряд — чётным, а, нумерация матриц, производится слева направо. Каждая матрица ПЗС представляет собой совокупность строк и столбцов светочувствительных элементов, работающих в режиме временной задержки и накопления зарядовых пакетов (TDI). При этом число элементов в столбцах и строках матриц ПЗС определяет соответственно число тактов накопления зарядовых пакетов и полосу захвата съёмочной аппаратуры.

3. Главной особенностью процесса формирования изображения в таком режиме съемки является последовательное накопление световой энергии от одного и того же участка местности в строках матриц ПЗС таким образом, что максимальный уровень оптической плотности достигается в элементах, находящихся в последних столбцах матриц ПЗС. Другая особенность рассматриваемой фотоприемной структуры заключается в том, что регистрация участков земной поверхности осуществляется двумя полосами изображений с последующим формированием единой полосы разновременных участков изображений. Время формирования любого пикселя изображения определяется моментом времени считывания зарядовых пакетов с последних (по отношению к направлению полёта КА) элементов строк линейки ПЗС. В этой связи в работе введено понятие формирующих краёв линеек ПЗС, в качестве которых в рассматриваемом случае служат правые (ближние по отношению к направлению полёта КА) края чётных и нечётных рядов матриц ПЗС. В координатном аспекте эти формирующие края в любой момент времени формирования точек изображения имеют разные между собой, но одинаковые на интервале съёмки абсциссы в системе координат фокальной плоскости съёмочной аппаратуры.

4. На основе проведенного выше анализа особенностей формирования сканерных изображений выполнено теоретическое обоснование комплекса моделей, названного в работе динамической фотограмметрической моделью. Разработанная динамическая фотограмметрическая модель в отличие от известных моделей, наиболее строго учитывает принцип действия и конструктивные характеристики реальной съёмочной аппаратуры, состав реально измеряемых при этом параметров, а также особенности формирования космического сканерного изображения в условиях поступательного и трёхосного углового движения съёмочной аппаратуры в процессе съемки. Она обеспечивает строгое математическое описание процессов космической сканерной съёмки и формирования геометрической структуры сканерных изображений, и включает в себя три контура моделей. Первый контур предназначен для моделирования геометрической структуры сканерных изображений и углового движения КА. Он включает в себя модель скорости движения изображения (СДИ), координатно-временную модель сканерных изображений и модель формирования программы углового движения КА. Второй контур составляют модели, которые используются в интересах первого и третьего контура для определения текущих значений вектора состояния КА и параметров его угловой ориентации. Третий контур образует геометрическая модель щелевой сканерной съёмки, которая обеспечивает вычисление геоцентрических координат пикселей изображения по данным первого и второго контура.

Идеология выбранного в работе теоретического подхода для моделирования рассматриваемых процессов заключается в формализации условия постоянного перенацеливания линии визирования на всё интервале съёмки. В работе показано, что это условие эквивалентно условию равномерного перемещения зарядовых пакетов по строкам матриц ПЗС и постоянства направления их движения вдоль строк матриц ПЗС, что обеспечивает синхронность движения зарядовых пакетов по всем строкам матриц ПЗС, предотвращая тем самым явления «смаза» и «сдвига» формирующегося маршрута изображения. В соответствие с этим разработана модель скорости движения изображения (СДИ), устанавливающая в гринвичской системе координат строгую функциональную связь продольной и поперечной составляющих СДИ по полю фотоприёмной структуры сканерных систем с орбитальными, угловыми и конструктивными параметрами космической съемки. После ввода в эту модель описанных выше условий отсутствия смаза изображения в работе в явном виде получено векторно-матричное уравнение для составляющих абсолютной угловой скорости движения КА в инерциальном пространстве. На основе этого уравнения, которое описывает строгую модель формирования программы трёхосного углового движения КА, разработана методика формирования аналитических временных зависимостей угловых параметров космической сканерной съемки и модель определения их текущих значений.

Разработанная координатно-временная модель одиночных сканерных изображений обеспечивает корректный переход от параметров цифрового изображения к параметрам ОЭП на матрицах ПЗС и текущему времени съёмки. Получено базовое векторно-матричное уравнение связи координат геометрических центров элементов ПЗС и их проекций на поверхности общего земного эллипсоида, основанное на свойстве коллинеарности векторов, соединяющих эти точки с центром проекции съёмочной аппаратуры. На основе этого уравнения разработана геометрическая модель космической щелевой сканерной съёмки, включающая в себя систему трёх независимых уравнений, обеспечивающих вычисление гринвичских координат Х, У,2 проекций геометрических центров элементов ПЗС на поверхности общего земного эллипсоида.

5. Проведено теоретическое обоснование методики прямой фотограмметрической засечки по одиночным сканерным изображениям с использованием ориентирующих углов линии визирования и ЦМР. Показано, что необходимость совершенствования существующих подходов к решению прямой засечки по одиночным снимкам с использованием ЦМР, обусловлена значительными вычислительными затратами, связанными с непосредственным подключением ЦМР к фотограмметрической модели по методу приближений и многократным обращением к ней в ходе итерационного процесса. Суть разработанной методики состоит в исключении фотограмметрической модели из итерационного процесса и двухконтурной организации вычислительных процедур. Первый контур включает в себя разработанную динамическую фотограмметрическую модель, обеспечивающую однократное вычисление приближённых значений геоцентрических координат точек земной поверхности, соответствующих заданному априорно среднему значению рельефа местности. Второй контур состоит из блока преобразования координат, представляющего собой известные формулы пересчёта геоцентрических координат в плоские координаты заданной картографической проекции, и блока уточнения планово-высотных координат точек, состоящего из разработанной модели уточнения координат и ЦМР. Разработанная методика локализует итерационный процесс в отдельном от фотограмметрической модели вычислительном контуре в декартовой системе координат с точно известным начальным приближением г<0) = о, простыми вычислительными формулами, линейной итерационной функцией и размерами прямолинейной рабочей области, не превышающими половину значений перепада высот в районе съемки при любом характере рельефа местности. Показано, что использование ориентирующих углов линии визирования КА в горизонтальной и вертикальной плоскости ЦМР, позволяет учесть направленность итерационного процесса, обусловленную особенностями взаимного расположения линии визирования и ЦМР, и характера рельефа местности. Отмечено, что указанные отличия разработанной методики обеспечивают существенное снижение вычислительных затрат.

6. Разработана методика построения макетных сканерных изображений, позволяющая осуществлять экспериментальные исследования процессов их фотограмметрической обработки и отличающаяся включением в комплекс аналитических моделей местности и снимка контура орбитального планирования трасс КА. Она включает в себя четыре этапа. На первом производится задание координат границ тестового участка съёмки и подспутниковой точки КА на момент включения съёмочной аппаратуры. На втором — опреление конфигурации орбиты КА и других начальных условий съёмки. На третьем — прокладка трассы КА, проходящей через заданную точку тестового участка. На четвёртом — формирование программ трёхосного углового движения КА для различных ракурсов съёмки, нанесение границ полосы захвата съёмочной аппаратуры на тестовый участок местности и расчёт контрольных и оцениваемых координат точек в различных ракурсах съёмки с последующей статистической обработкой полученных результатов.

7. Разработанные методики доведены до алгоритмической и программной реализации, основываясь на которых осуществлено макетирование космических сканерных изображений и выполнена верификация разработанного комплекса моделей и оценка точности методики прямой засечки.

Верификация проводилась путём раздельного и совместного анализа трёх групп результатов моделирования. Первая включала в себя формы, конфигурации и расположения макетных полос захвата для разных ракурсов съемки, а именно, в надире, при отклонениях линии визирования отдельно по углам тангажа, крена, рысканья и при одновременном отклонении по всем трём углам. Вторая группа результатов моделирования — графики трёхосного углового движения КА для этих же ракурсов съемки. Третья группаноминальные значения продольной и поперечной составляющих СДИ в каждом ракурсе съёмки. Анализировалась взаимосвязь представленных графиков углового движения КА и полос захвата, степень изменения форм и конфигураций полосы захвата в соответствие с изменениями углов на графиках, а также схемы взаимного расположения полос и трассы КА — в соответствие с физической сущностью ракурсов съемки. Проведенный в работе анализ показал, что полученные результаты моделирования полностью соответствуют своим теоретически ожидаемым значениям. Это свидетельствует о том, что разработанная динамическая фотограмметрическая модель адекватна описываемым реальным процессам при любой длительности интервала съёмки.

8. Для получения количественных оценок точности и вычислительных затрат разработанной методики прямой засечки в соответствие с известной схемой рассчитывались координаты 50-ти точек, которые использовались далее в качестве контрольных. При этом фиксировалось число итераций для каждой точки. После этого выполнялось статистическая обработка контрольных и рассчитанных ранее с помощью разработанной методики 50-ти значений макетных точек и рассчитывалось значение средней квадратической ошибки. Полученные оценки точности свидетельствуют о том, что средние квадратические ошибки прямой засечки в соответствие с разработанной методикой составляют в плане от 0,5 до одного пикселя. При этом число итераций для каждой точки во всех случаях не превысило двух (одна с моделью, одна без неё), а при использовании традиционной схемы прямой засечки — составило не менее четырёх вместе с моделью.

Это свидетельствет о том, что разработанная методика при одинаковой с известной схемой пиксельной точности обеспечивает существенное (в 2−3 раза) снижение вычислительных затрат.