Ракурс
English info@racurs.ru

Статьи и презентации

Библиография PHOTOMOD

Опыт пользователей

Учебные материалы

Материалы конкурса PHOTOMOD Lite

Вики — фотограмметрия

 НОВОСТИ  О КОМПАНИИ  ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ  ДАННЫЕ ДЗЗ  УСЛУГИ  ОБУЧЕНИЕ  ПОДДЕРЖКА  БИБЛИОТЕКА  КОНТАКТЫ  ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 
 Статьи и презентации  Вики — Фотограмметрия 

Решение фотограмметрических задач по снимкам ASTER

П.С.Титаров ("Ракурс")

Скачать эту статью (PDF, 111kB)

1.Общие сведения о съёмочной системе Terra/ASTER

Радиометр ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) установлен на ИСЗ Terra, выведенном на солнечно-синхронную орбиту высотой 705 км и наклонением 98.2°. В спектральных диапазонах 520-600 (VNIR1), 630-690 (VNIR2) и 780-860 (VNIR3) нм ASTER обеспечивает получение изображений разрешением 15м, причём в последнем из указанных диапазонов производится одновитковая стереосъёмка - в надир (VNIR3N) и назад вдоль трассы (VNIR3B).

Изображения формируются построчно; строка изображения ориентирована поперек трассы носителя, развертка вдоль трассы производится за счет его движения.

2.Задачи фотограмметрической обработки

Набор снимков, получаемых ASTER в одном сеансе съёмки, позволяет построить цифровую модель рельефа (ЦМР) по стереопаре VNIR3N+VNIR3B и выполнить с её использованием ортотрансформирование, а также векторизацию в стереорежиме; кроме того, при наличии ЦМР, полученной из других источников, возможно получение ортоизображений по одиночному снимку, для чего целесообразно использовать один из надирных снимков VNIR1, VNIR2, VNIR3N.

Выполнение этих процессов требует решения двух основных задач [3]:

- определение пространственных координат X,Y,Z точки снимаемой поверхности по пиксельным координатам l1, p1, l2, p2 её изображений на каждом из снимков стереопары (для построения ЦМР);

- определение пиксельных координат l,p изображения точки на снимке по её координатам X,Y,Z на местности (для ортотрансформирования и стереовекторизации).

Решение именно этих задач будет рассмотрено ниже.

3.Ориентирование снимка

Под ориентированием снимка будем понимать восстановление пространственного положения совокупности лучей, которыми сформировано изображение, в гринвичской геоцентрической системе координат (переход от неё к заданной геодезической системе не вызовет проблем); то есть для каждого пикселя снимка с координатами l,p необходимо построить начало S (заданное радиус-вектором S) и единичный направляющий вектор r зарегистрированного этим пикселем луча.

При обработке сканерных снимков для этого используются модели перемещения сенсора, вращения сенсора и геометрическая модель сенсора [3].

Модель перемещения сенсора является аналогом линейных элементов внешнего ориентирования снимка в классической фотограмметрии и определяет координаты (радиус-вектор S) детекторов сенсора как функции номера l строки снимка (при построчном режиме съёмки): S = S(l).

Геометрическая модель сенсора определяет зависимость единичного направляющего вектора ρ (в некоторой системе координат, связанной с сенсором) луча, зарегистрированного пикселем снимка с номером p, от этого номера: ρ=ρ(p), а также должна предоставлять возможность решения обратной задачи: p=p(ρ). Эта модель играет ту же роль, что и элементы внутреннего ориентирования снимков в центральной проекции.

Модель вращения сенсора определяет поворот осей системы координат сенсора (в которой задана его геометрическая модель) относительно гринвичской системы координат, являясь аналогом угловых элементов внешнего ориентирования. Эта модель задает матрицу поворота P, которая при построчной съёмке зависит только от номера l строки снимка: P = P(l).

Таким образом, направляющий вектор луча, отображенного пикселем с координатами l, p, равен r(l,p) = P(l)*ρ(p).

4.Решение фотограмметрических задач по ориентированным снимкам.

Первая из поставленных в разделе 2 задач решается крайне просто: по известным пиксельным координатам l1,p1,l2,p2 изображения точки местности на снимках строятся лучи; в идеальном случае точка их пересечения и является изображенной на снимках точкой местности. Реально из-за погрешностей ориентирования снимков построенные лучи оказываются скрещивающимися, и в качестве искомых принимаются координаты X,Y,Z середины их общего перпендикуляра (в предположении, что ориентирование снимков равноточно, как это обычно и бывает; в противном случае данная точка может быть взята ближе к лучу, построенному по более точно ориентированному снимку).

Решение второй из поставленных задач выполняется сложнее; в случае, когда все лучи, формирующие одну строку изображения, лежат в одной плоскости, эффективен алгоритм, по которому сначала итерационно устанавливается номер l строки снимка, после чего, используя геометрическую модель сенсора, определяется номер p пикселя на строке.

5.Моделирование процесса съёмки

Сначала восстанавливается геометрическая модель сенсора, для чего используются следующие данные, сопровождающие снимок:

- векторы направления наблюдения, заданные в орбитальной системе координат на регулярной сетке пикселей снимка;

- углы ориентации сенсора, заданные для строк, входящих в вышеупомянутую сетку, определяющие положение системы координат сенсора относительно орбитальной.

По этим данным вычисляется набор векторов в системе координат сенсора для детекторов (пикселей) с заданными сеткой номерами; модель сенсора достаточной точности получается их аппроксимацией линейной вектор-функцией.

Моделирование орбиты носителя удобно выполнять в инерциальной системе координат; необходимость уточнения орбиты по опорным точкам вынуждает выполнять в этой же системе координат построение и модели вращения.

Для этого нужно предварительно найти "инерциальные" координаты опорных точек в момент их регистрации на снимке, который снабжается информацией о временной привязке строк, позволяющей определить UTC регистрации каждой строки снимка, необходимые для перехода от гринвичской системы к инерциальной.

Аналогичным образом в инерциальную систему координат пересчитываются и сопровождающие снимок приближенные радиус-векторы положения носителя и векторы его скорости, заданные в гринвичской системе координат, а также углы ориентации сенсора, заданные в орбитальной системе.

Следует обратить внимание, что перечисленный набор сопровождающей снимок информации достаточен для его ориентирования без опорных точек, однако использование последних на порядок улучшает точность фотограмметрической обработки.

Так как участок траектории носителя, на котором производится съёмка стереопары, достаточно мал, он с достаточной точностью описывается шестью кеплеровскими элементами орбиты a, e, Ω, i, ω τ (обозначения традиционные, см., например, [2]), которые считаются постоянными во время сеанса съёмки.

Предварительное определение орбиты выполняется по трём положениям ИСЗ (см. [1]): в начале и конце съёмки надирного снимка и в конце съёмки снимка вдоль трассы назад.

Модель вращения сенсора в инерциальной системе координат имеет две составляющие: первая описывает изменение углового положения носителя, которое представляется тремя углами, заданными полиномами от времени; вторая предназначена для уточнения взаимной ориентации оптических систем, регистрирующих снимки стереопары, представлена тремя постоянными углами и применяется только к одному из снимков. Объединение этих составляющих приводят к тому, что у полиномов, определяющих модели вращения для каждого снимка, одинаковые коэффициенты при ненулевых степенях, и разные свободные члены.

Таким образом, построение моделей перемещения и вращения производится в инерциальной системе координат, при этом аргументом используемых зависимостей является время. После уточнения параметров моделей по опорным точкам производится возврат к гринвичской системе координат и аргументам l1 и l2 (номера строк соответствующих снимков), причем для упрощения использования моделей в фотограмметрических процессах строятся их аппроксимации полиномами от l1 и l2.

6.Ориентирование снимка по опорным точкам

Процедура уточнения ориентирования снимков основана на условиях коллинеарности регистрируемого луча и спутникоцентрического направления на опорную точку; измерение опорной точки на каждом снимке дает по два таких уравнения.

Модель перемещения содержит пять параметров, требующих уточнения: экспериментальная проверка подтвердила предположение, что в нашем случае уточнять по опорным точкам целесообразно только параметры a, e, Ω, i, Ω, так как из-за близости орбиты носителя к круговой одновременное уточнение времени τ прохождения через перицентр и углового расстояния перицентра Ω приводит к вырождению системы нормальных уравнений.

Модели вращения достаточной (как показало тестирование) точности обеспечиваются применением полиномов первого порядка; таким образом, они содержат три общих коэффициента при членах первого порядка и по три свободных члена; таким образом, в обеих моделях содержится в общей сложности девять уточняемых параметров.

Следовательно, общее число уточняемых параметров составляет тринадцать; каждая опорная точка, измеренная на обоих снимках, обеспечивает четыре уравнения коллинеарности; следовательно, для применения метода наименьших квадратов достаточно четырех точек в области перекрытия снимков.

7.Результаты экспериментальной проверки метода

Экспериментальная проверка описанного метода показала, что при обработке без использования опорных точек средние квадратические ошибки (СКО) на контрольных точках составляют несколько десятков метров в плане и около 100 м по высоте; подобной точности достаточно для некоторых геологических приложений. При использовании 4 опорных и 47 контрольных точек, снятых с карты масштаба 1 : 10 000, СКО составили mX=mY=7м, mZ=13м на опорных точках, и mX=13м, mY=16м, mZ=12м, то есть величина погрешностей соответствует разрешению снимка.

Литература

[1] Балк М.Б. Элементы динамики космического полёта. - М.: "Наука", 1965. - 339 с., илл.

[2] Баранов В.Н., Бойко Е.Г., Краснорылов И.И. и др. Космическая геодезия. - М.: "Недра", 1986. - 407 с., илл.

[3] Титаров П.С. Фотограмметрическая обработка спутниковых сканерных стереопар. // Геодезия и картография. - 2001. - №8. - С. 30-34.

Подписка на новости 129366, г. Москва
ул. Ярославская, д. 13А, офис 15
Tel   (495) 720-51-27 (многоканальный)
Fax   (495) 720-51-28
Последнее обновление: 14.12.2017© Ракурс, 2004-2017