VII Международная научно-практическая конференция «От снимка к карте:

VII Международная научно-практическая конференция «От снимка к карте: Цифровые фотограмметрические технологии»

Учебный классУчебный классФотограмметрическая обработка Фотограмметрическая обработка сканерных космических сканерных космических изображенийизображенийПетр Титаров, инженер-программист

17-20 сентября 2007 г., Несебыр, Болгария

План учебного классаПлан учебного класса

Формирование снимка сканерными съемочными Формирование снимка сканерными съемочными

системамисистемами Режимы получения одиночных снимковРежимы получения одиночных снимков Способы выполнения стереоскопической съёмкиСпособы выполнения стереоскопической съёмки Блоки сканерных снимковБлоки сканерных снимков Характеристики сканерных съёмочных системХарактеристики сканерных съёмочных систем

I. I. Основы сканерной космической Основы сканерной космической съемкисъемки

Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической

обработки обработки Подходы к фотограмметрической обработке сканерных Подходы к фотограмметрической обработке сканерных

снимковснимков

II. II. Фотограмметрия сканерных снимковФотограмметрия сканерных снимков

Системы с разрешением 1 м и лучшеСистемы с разрешением 1 м и лучше Системы с разрешением около 2 мСистемы с разрешением около 2 м Системы с разрешением 5 мСистемы с разрешением 5 м Системы с разрешением 10-20 мСистемы с разрешением 10-20 м

III. III. Обзор сканерных съёмочных системОбзор сканерных съёмочных систем

V. V. Особенности обработки сканерных снимков в системе Особенности обработки сканерных снимков в системе PHOTOMODPHOTOMOD

IV. IV. Выбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработкиВыбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработки

Раздел Раздел II

Формирование снимка сканерными съемочными Формирование снимка сканерными съемочными

системамисистемами

Режимы получения одиночных снимковРежимы получения одиночных снимков

Способы выполнения стереоскопической съёмкиСпособы выполнения стереоскопической съёмки

Блоки сканерных снимковБлоки сканерных снимков

Характеристики сканерных съёмочных системХарактеристики сканерных съёмочных систем

Основы сканерной космической съемкиОсновы сканерной космической съемки

Формирование снимка сканерными съемочными системамиФормирование снимка сканерными съемочными системами

Строка за строкой(линейка ПЗС)

Пиксель за пикселем(сканирующий луч)

Геометрия сканерных снимков существенно отличается от центральной Геометрия сканерных снимков существенно отличается от центральной проекции, поэтому соотношения классической фотограмметрии к ним проекции, поэтому соотношения классической фотограмметрии к ним

неприменимы.неприменимы.

Получение одиночных снимковПолучение одиночных снимков

Синхронный режим построчной съёмкиСинхронный режим построчной съёмки

Ориентация сенсора стабилизирована во время формирования

снимка

позволяет производить съёмку протяженных участков

местности

упрощает геометрию снимкаВ синхронном режиме производят съёмку большинство

спутников:

IKONOS

SPOT 1-5

IRS 1C/1D/P5/P6

FORMOSAT-2

Terra

ALOS… и многие

другие.

Получение одиночных снимковПолучение одиночных снимков

Асинхронный режим построчной съёмкиАсинхронный режим построчной съёмки

Ориентация сенсора изменяется во время формирования

снимка:

для увеличения экспозиции

для изменения конфигурации снимаемого участка

В асинхронном режиме часто производят съёмку системы высокого

разрешения:

EROS A

QuickBird


Стереосъёмка с разных витковСтереосъёмка с разных витков

Необходима возможность поперечного отклонения направления

обзора

Возможна съёмка стереопары двумя однотипными спутникамиС разных витков выполняют стереосъёмку, например, следующие

системы:

SPOT 1-5 (сенсоры HRV, HRVIR, HRG)

IRS 1C/1D


Стереосъёмка с одного виткаСтереосъёмка с одного витка перенацеливанием перенацеливанием сенсорасенсора

Короткий временной интервал между получением снимков

стереопары

Спутник должен обладать способностью быстрого

перенацеливанияС помощью перенацеливания выполняют стереосъёмку, например,

следующие системы:

IKONOS

EROS


Стереосъёмка с одного витка двумя сенсорами, Стереосъёмка с одного витка двумя сенсорами, установленными на общей платформеустановленными на общей платформе

Короткий временной интервал между получением снимков

стереопары

Фиксированное отношение базиса съёмки к высоте

Возможна съёмка протяженных стереомаршрутов с одного

витка

SPOT 5/HRS

Cartosat-1

ALOS

Terra/ASTER


Отношение базиса съёмки к высоте (B:H) в перекрытиях снимков принимает произвольные значения.

Блок одиночных сканерных снимков («моноблок»)

Новая («заказная») съёмка

Блок, подобранный из архивных снимков


Блок сканерных стереопар («стереоблок»)

Набор перекрывающихся между собой стереопар(двойные и четырехкратные перекрытия)


Основные геометрические характеристикиОсновные геометрические характеристики

Пример: система ДЗЗ SPOT/HRV

Пространственное разрешение

Ширина полосы обзора

Зависит от: размера детекторов фокусного расстояния оптической системы высоты орбиты носителя

Зависит от: фокусного расстояния оптической системы < угол (ширина) размеров детекторов и их числа в линейке < поля зрения высоты орбиты носителя направления обзора

Возможности отклонения направления обзора

Зависят от: конструкции сенсора и/или носителя


Основные радиометрические характеристикиОсновные радиометрические характеристики

Спектральные каналы

Диапазон длин волн регистрируемого излучения для каждого канала

Радиометрическое разрешение

Число уровней квантования сигнала

Производительность съёмочной системыПроизводительность съёмочной системы

Зависит от: ширины полосы обзора параметров орбиты носителя возможностей отклонения направления обзора режима съёмки (синхронный/асинхронный) метода стереоскопической съёмки ёмкости бортовых накопителей характеристик передающей аппаратуры и приемных станций

Орбиты ИСЗ дистанционного зондированияОрбиты ИСЗ дистанционного зондирования

02

cos51cos

2

aei

iN

iN

Большая полуось a определяет высоту носителя

Эксцентриситет e0 (околокруговая орбита) обеспечивает постоянство высоты носителя

Наклонение i98 (околополярная гелиосинхронная орбита) съёмка бо́льшей части земного шара прохождение узлов орбиты в одинаковое местное время

Долгота восходящего узла подвержена прецессии

Аргумент перицентра для круговой орбиты значение несущественно

Вековые изменения за N оборотов:

Геосинхронная орбита трасса ИСЗ повторяется с некоторым периодом

Орбиты ИСЗ дистанционного зондированияОрбиты ИСЗ дистанционного зондирования

Полярная орбита Гелиосинхронная орбита

Гелиосинхронная (солнечносинхронная) орбитаГелиосинхронная (солнечносинхронная) орбита

t1

t2

t3

Солнце

Плоскостьорбиты ИСЗОрбита

Земли

Земля t

t

t

Солнце

Плоскостьорбиты ИСЗОрбита

Земли

Земля

Раздел Раздел IIII

Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической

обработки обработки Подходы к фотограмметрической обработке сканерных снимковПодходы к фотограмметрической обработке сканерных снимков

Фотограмметрия сканерных снимковФотограмметрия сканерных снимков

G

S

S

M

rr

1

1

2

2

R R1 2

Орбита

Земля

),,(

),,(),,(

),,(

4

3

2

1

NNN

NNNN

NNN

NNNN

hP

hPy

hP

hPx

4,1,3

0

3

0

3

0),,(

3

qi j k

kN

jN

iNijkqhP ha

kji

NNNq

Прямая и обратная фотограмметрические засечкиПрямая и обратная фотограмметрические засечки

Опорные точки

Одиночные снимки

Цифровая матрица рельефа3D векторы

Ортоизображение2D векторы

Цифровая модель рельефа

Опорные точки

Стереопары

Созданиемозаики.

Экспортв ГИС, САПР,

цифровые карты

right

right

left

left

y

x

y

x

f

Z

Y

X

Z

Y

X

gy

x

Методы (подходы) к фотограмметрической обработкеМетоды (подходы) к фотограмметрической обработке

Строгие Аппроксимационные

Методы фотограмметрической обработки сканерных снимков

Геометрическоемоделирование процесса съёмки

Применение обобщенныхсоотношений, которыеаппроксимируют строгуюмодель процесса съёмки

Параметрические

Использование априорныхсоотношений, параметрыкоторых определяются по

опорным точкам

),,(

),,(),,(

),,(

4

3

2

1

NNN

NNNN

NNN

NNNN

hP

hPy

hP

hPx

4,1,3

0

3

0

3

0),,(

3

qi j k

kN

jN

iNijkqhP ha

kji

NNNq

1

1

321

4321

321

4321

ZCYCXC

BZBYBXBy

ZCYCXC

AZAYAXAx

G

S

S

M

rr

1

1

2

2

R R1 2

Орбита

Земля

Строгий подход к обработкеСтрогий подход к обработке

Геометрическая модель сенсора (внутреннее Геометрическая модель сенсора (внутреннее ориентирование)ориентирование)

Табулированная вектор-функцияДвумерная центральная проекция

)( p

1

p )( p

p1

p2

1

2

Определяет зависимость единичного направляющего вектора луча, регистрируемого детектором с номером p, от этого номера (в системе координат сенсора S):

Это аналог элементов внутреннего ориентирования в классической

фотограмметрии.

Модель перемещения сенсораМодель перемещения сенсора

Полиномиальная модельПолиномиальная модель Орбитальная модельОрбитальная модель

Z

Y

X

n

k

kk

n

j

jj

n

i

ii

lCZ

lBY

lAX

0

0

0

Параметры орбиты:• большая полуось a • эксцентриситет e• наклонение i• долгота восходящего узла • аргумент перицентра • время прохождения через перицентр

Уточняемые параметры:

e, i, ,, иногда a

Уточняемые параметры:

Ai , Bj , Ck

строится в произвольной декартовой системе координат (в том числе – в Гринвичской) проста в использовании

строится в инерциальной системе координат физически обоснованная модель небольшое число параметров

Модель ориентации сенсораМодель ориентации сенсора

Модель задаётся тремя углами , , , полиномиально зависящими от номера строки l, либо представленными суммойизмеренных в полете значений углов и полиномиальных поправок:

K

k

kkизм

J

j

jjизм

I

i

iiизм

lll

lll

lll

0

0

0

)()(

)()(

)()(

Модель ориентации сенсора определяет поворот осей системы координат сенсора относительно системы координат точек местности

))(),(),(()( lllPlP

Решение засечек в рамках строгого подходаРешение засечек в рамках строгого подхода

Прямая засечкаПрямая засечка Обратная засечкаОбратная засечка

Z

Y

X

fy

x

2

2

1

1

y

x

y

x

g

Z

Y

X

Пересечение соответственных лучей Итерационный процесс

Ориентирование снимковОриентирование снимков

0)( SMrSMr

Z

Y

X

SM

Z

Y

X

Pr

,

0

0

0

XYYX

ZXXZ

YZZY

Условие коллинеарности

Три уравнения, из которых независимы любые два:

Ориентирование производится методом связок:

Универсальный (параметрический) методУниверсальный (параметрический) метод

Использование априорных соотношений (вытекающих изпредположений о геометрии съёмки) между координатамина снимке x, y и на местности X,Y,Z; вычисление значений входящих в них параметров по опорным точкам.

),...,,,,(

),...,,,,(

1

1

m

n

qqZYXgy

ppZYXfx

Direct Linear Transformation (DLT)

1

1

321

4321

321

4321

ZCYCXC

BZBYBXBy

ZCYCXC

AZAYAXAx

Параллельно-перспективная модель

1

1

321

321

4321

ZCYCXCy

ZBYBXB

AZAYAXAx

Аппроксимационный подход

Аппроксимация соотношений,полученных строгим методом,некоторой вектор - функцией:

),,(

),,(

ZYXGy

ZYXFx

или

),,(

),,(

ZyxGY

ZyxFX

RPC = Rational Polynomial Coefficients = Rapid Positioning Capability

),,(

),,(),,(

),,(

4

3

2

1

NNN

NNNN

NNN

NNNN

hP

hPy

hP

hPx

4,1,

3

0

3

0

3

0),,(

3

qi j k

kN

jN

iNijkqhP ha

kji

NNNq

Исходные соотношения:

, где

N, N, hN - нормированные координаты точки местности:

(-1 N 1, -1 N 1, -1 hN 1)

h

hNNN s

ohh

s

o

s

o

xN, yN - нормированные координаты её изображения на снимке:

(-1 xN 1, -1 yN 1)

y

yN

x

xN s

oyy

s

oxx

Поправки из уравнивания:

DsDlD

DyDxD

ybxbbyy

yaxaaxx

0

0

0

0

byy

axx

D

D

или

Решение засечек в алгебраических методах

Решение прямой засечкиРешение прямой засечки Решение обратной засечкиРешение обратной засечки

Z

Y

X

fy

x

2

2

1

1

y

x

y

x

g

Z

Y

X

),,(),,( ZYXGyZYXFx iiii

В результате уравнивания для каждого из снимков известны соотношения:

По формулам

),,(

),,(

ZYXGy

ZYXFx

ii

ii

Обобщенное решение переопределенной системы из 4 уравнений (в общем случае нелинейных) с 3 неизвестными X, Y, Z:

0),,(

0),,(

0),,(

0),,(

22

22

11

11

ZYXGy

ZYXFx

ZYXGy

ZYXFx

Раздел Раздел IIIIII

Системы с разрешением 1 м и лучшеСистемы с разрешением 1 м и лучше

Системы с разрешением около 2 мСистемы с разрешением около 2 м

Системы с разрешением 5 мСистемы с разрешением 5 м

Системы с разрешением 10-20 мСистемы с разрешением 10-20 м

Обзор сканерных съёмочных системОбзор сканерных съёмочных систем

Системы с пространственным разрешением 1 м и лучшеСистемы с пространственным разрешением 1 м и лучше

Системы с пространственным разрешением 1 м и лучшеСистемы с пространственным разрешением 1 м и лучше

Системы с пространственным разрешением около 2 мСистемы с пространственным разрешением около 2 м

Системы с пространственным разрешением 5 м Системы с пространственным разрешением 5 м

Системы с пространственным разрешением 10-20 мСистемы с пространственным разрешением 10-20 м

Раздел Раздел IVIV

Выбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработкиВыбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработки

Следует обратить внимание на следующие обстоятельства:

выполнялась ли геометрическая коррекция снимков

состав метаданных (наличие в них параметров геометрии

снимка)

возможность заказа фрагментов сцен и полигонов

формат данных

Геометрическая коррекция снимковГеометрическая коррекция снимков

Снимок, подвергавшийся геометрической коррекции, непригоден

для фотограмметрической обработки строгим методом!Пример:

Съёмочная системаСъёмочная система Без геометрической Без геометрической

коррекциикоррекцииС геометрической С геометрической

коррекциейкоррекцией

Продукт дистанционного зондирования (изображение)Продукт дистанционного зондирования (изображение)

SPOT, ASTERSPOT, ASTER 1A1A 1B1B

KOMPSAT, LandsatKOMPSAT, Landsat 1R1R 1G1G

QuickBirdQuickBird BasicBasic StandardStandard

OrbView-3OrbView-3 BASICBASIC GEOGEO

Состав метаданных и формат растраСостав метаданных и формат растра

Стереопара Стереопара Cartosat-1Cartosat-1

Stereo Ortho KitStereo Ortho Kit Basic stereoBasic stereo

Растр в формате Растр в формате TIFF TIFF и и RPCRPC Формат Формат Super Structured, Super Structured, обработкаобработка универсальными методамиуниверсальными методами

Раздел Раздел VV

Особенности обработки сканерных снимков в системе Особенности обработки сканерных снимков в системе PHOTOMODPHOTOMOD

Обработка данных с различных сенсоров в Обработка данных с различных сенсоров в PHOTOMODPHOTOMOD

Соответствие файлов изображений и Соответствие файлов изображений и RPCRPC

Набор файлов продукта QuickBird Basic

Связь файлов изображения и RPC продукта IKONOS Geo Ortho

Kit

Тайловая структура изображений Тайловая структура изображений QuickBird StandardQuickBird Standard

Снимки QuickBird уровней Standard и Standard Ortho Ready поставляются в виде набора фрагментов (тайлов).

RPC относятся к скомпонованномуизображению!

Совместная обработка снимков разных сенсоровСовместная обработка снимков разных сенсоров

Возможные кандидаты на совместную Возможные кандидаты на совместную обработку:обработку:

SPOT-5 Supermode (2.5 m)SPOT-5 Supermode (2.5 m) FORMOSAT 2 PAN (2 FORMOSAT 2 PAN (2 m)m)

……а также а также IKONOS + OrbView-3 + Kompsat-2 IKONOS + OrbView-3 + Kompsat-2 (разрешение (разрешение 1 м) и т.д.1 м) и т.д.

Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!

Documents

VII Международная научно-практическая конференция «От снимка к карте: