Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния проблемы 12
1.1 Современный подход к информационному обеспечению народнохозяйственных задач 12
1.2 Геоинформационное обеспечение задач муниципального управления 15
1.3 Проблема актуализации пространственных данных муниципального уровня 21
2 Фотограмметрическая обработка сканерных снимков при проведении мониторинга городских территорий 27
2.1 Технические характеристики современных космических съемочных систем сверхвысокого разрешения 27
2.2 Теоретические основы фотограмметрической обработки космических снимков сверхвысокого разрешения 36
2.3 Программные средства для обработки космических снимков 53
2.4 Особенности фотограмметрической обработки космических снимков при проведении мониторинга городских территорий 58
3 Экспериментальные исследования 63
3.1 Исследование дешифровочных возможностей космических снимков сверхвысокого разрешения 63
3.2 Исследование точности визирования на точки космических снимков сверхвысокого разрешения 72
3.3 Исследование точности фотограмметрической обработки космических снимков 82
3.4 Исследование методики аналитического переноса опорных точек из предыдущих циклов мониторинга 90
4 Технологические схемы проведения мониторинга городских территорий 106
Заключение 115
Список использованных источников 117
- Геоинформационное обеспечение задач муниципального управления
- Проблема актуализации пространственных данных муниципального уровня
- Теоретические основы фотограмметрической обработки космических снимков сверхвысокого разрешения
- Исследование точности визирования на точки космических снимков сверхвысокого разрешения
Введение к работе
Актуальность работы. Принятая Правительством РФ «Концепция создания и развития инфраструктуры пространственных данных в Российской Федерации» (от 21.08.2006 № 1157-р) [55] определила цели и принципы построения системы обеспечения органов государственной власти, местного самоуправления, организаций и граждан оперативной и достоверной геоинформацией. Реализация концепции предусматривает разработку технологий получения, хранения, актуализации и использования баз пространственных данных и метаданных на различных уровнях: федеральном, региональном, муниципальном, отраслевом.
Необходимым условием эффективного функционирования инфраструктуры пространственных данных РФ является поддержание пространственной и тематической информации в современном состоянии. Данная задача решается путем проведения мониторинга местности, основным направлением которого служит интеграция геоинформационных технологий и методов получения и обработки данных дистанционного зондирования Земли.
Как в России, так и за рубежом данные ДЗЗ, полученные из космоса, используются в интересах муниципального управления. Из анализа опубликованных работ следует, что большая часть из них носит экспериментальный характер: исследуются способы и точность фотограмметрической обработки спутниковых изображений, их дешифровочные свойства, возможности автоматизации извлечения данных. Производственные проекты чаще всего направлены на обновление топографических карт и, ввиду недостаточного нормативно-технического регулирования, выполняются различными способами, по различным технологиям. Представляется необходимым обобщить разрозненный опыт, развить существующие методы обработки космических снимков и разработать научно обоснованную технологию использования материалов космических съемок для удовлетворения разнообразных нужд муниципального уровня.
Цель диссертационной работы состоит в разработке технологии мониторинга городских территорий по многозональным космическим снимкам сверхвысокого разрешения для создания и регулярного и оперативного обновления пространственных данных муниципального уровня.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать современные требования к геоинформационному обеспечению задач муниципального управления;
- исследовать точностные параметры и дешифровочные возможности космических снимков сверхвысокого разрешения с точки зрения информационного обеспечения задач муниципального управления;
- выявить особенности фотограмметрической обработки космических снимков при мониторинге городских территорий и разработать технологическую схему обработки данных с учетом этих особенностей;
- разработать типовые требования к исходным данным для фотограмметрической обработки космических снимков;
- разработать методику использования материалов планово-высотной подготовки архивных космических снимков при частичной утрате опорных точек на местности;
- разработать организационно-технологическую схему проведения всех этапов мониторинга городских территорий по материалам космических съемок.
Объект исследования — технология использования многозональных космических снимков сверхвысокого разрешения для регулярного и оперативного создания и обновления пространственных данных муниципального уровня.
Предмет исследования:
- точностные и информационные свойства космических сканерных снимков, полученных в оптическом диапазоне с пространственным разрешением 1 м и выше;
— методы и математический аппарат фотограмметрической обработки космических снимков сверхвысокого разрешения;
— программные средства для получения и обработки данных по материалам космических съемок.
Методологическая и теоретическая основа исследования. При выполнении работы использовались методы аналитической и цифровой фотограмметрии, цифровой обработки изображений, линейной алгебры, теории вероятностей и математической статистики.
В основу теоретических исследований положены фундаментальные труды д-ра техн. наук, проф. Лобанова Н.А., д-ра техн. наук, проф. Антипова И.Т., д-ра техн. наук, проф. Дубиновского В.Б., д-ра техн. наук, проф. Гука А.П., д-ра техн. наук, проф. Журкина И.Г., д-ра техн. наук, проф. Малявского Б.К. При выполнении экспериментальных исследований учитывались методики и результаты экспериментальных работ по стереотопографической съемке, цифровой обработке изображений, фотограмметрической и тематической обработке аэрокосмических снимков, проводимых в Центральном научно-исследовательском институте геодезии и картографии, Государственном научно-исследовательском и производственном центре «Природа», Сибирской государственной геодезической академии, Московском университете геодезии и картографии, а также иностранными учеными: G.Konecny, KJacobsen (University of Hanover, Germany), C.S.Fraser (University of Melbourne, Australia), D.Poli (Institute for Geodesy and Photogrammetry, ETH Zurich, Switzerland).
Информационную базу исследования составили разновременные космические снимки с KA Ikonos, QuickBird, материалы геодезических спутниковых измерений, топографические карты и планы масштабов 1:500 — 1:10 000, нормативно-технические документы, регламентирующие градостроительную и иную деятельность в муниципалитетах, топографо-геодезические и фотограмметрические работы. В качестве программного обеспечения использовались цифровая фотограмметрическая станция
Photomod_4.3, программные комплексы обработки космических изображений и ГИС GeomaticaJU, ENVI_4.2, Панорама_9, MapInfo_7.5.
Научная новизна исследования заключается в разработке технологии оперативного получения информации по многозональным космическим снимкам для широкого круга потребителей, решающих разнородные задачи муниципального уровня: создание схем генерального плана поселения, проведение благоустройства города, экологический контроль и т.д. В настоящей технологии реализован новый подход к фотограмметрической обработке космических снимков, основанный на ортотрансформировании космических снимков по частям с большим количеством опорных точек, что позволяет уточнить ориентирование снимков и взаимное расположение объектов местности.
Кроме того, автором в процессе исследований получены следующие новые результаты:
- выявлены объектный состав и особенности геоинформации, необходимой для удовлетворения нужд потенциальных пользователей;
- определены требуемые параметры проведения космической съемки в условиях регулярного детального наблюдения городских территорий;
- выполнена оценка информационного потенциала космических снимков сверхвысокого разрешения с учетом особенностей крупных российских городов;
- обоснованы требования к выбору опорных точек для фотограмметрической обработки снимков в зависимости от надежности распознавания объектов местности, режима съемки, используемого математического аппарата;
- предложена методика аналитического переноса утраченных опорных точек с архивных космических снимков.
На защиту выносятся:
- технологические схемы мониторинга городских территорий на основе космической съемки сверхвысокого разрешения;
- выявленные дешифровочные свойства космических сканерных снимков, полученных в оптическом диапазоне с разрешением 1 м;
- типовые требования к материалам космических съемок, предназначенных для мониторинга городских территорий;
- рекомендации по планово-высотному обеспечению космических снимков;
- методика аналитического переноса опорных точек из предыдущих циклов мониторинга при частичной утрате опорных точек на местности.
Практическая значимость работы. По разработанной технологии организован спутниковый мониторинг территории муниципального образования г. Екатеринбург (2007-2008 гг.). Результаты мониторинга интегрируются в муниципальную геоинформационную систему г. Екатеринбурга, пользователем которой являются комитеты и подразделения Администрации муниципального образования г. Екатеринбург (государственный контракт № УГ/15 «Конкурс-3»). Одновременно результаты мониторинга поступают в «Хранилище пространственных данных муниципального уровня», функционирующего в Уральском федеральном округе в рамках государственного заказа по созданию пилотного проекта «Инфраструктуры пространственных данных РФ» (государственный контракт № УГ/04-07).
Полученные результаты внедрены в ФГУП Госцентр «Природа» в рамках темы «Моделирование работы по ведению государственного топографического мониторинга» (государственный контракт № П/12-08).
Отдельные этапы разработанной технологии, такие как космическая съемка, ортотрансформирование и дешифрирование снимков, были реализованы при обновлении картографического блока муниципальных геоинформационных систем городов Среднеуральск и Талица Свердловской области (договоры № 34/06, № 81/06), при обновлении цифровых топографических карт масштаба 1:5 000 на территорию нефтегазовых место рождений Тюменской области (договор № 32/06), при создании цифровых ортофотопланов масштаба 1:10 000 (государственный контракт № 129/зк).
Основные положения предлагаемой технологии мониторинга городских территорий могут использоваться для организации оперативных и плановых наблюдений за другими природными и техногенными комплексами. По сокращенному варианту технологии может выполняться обновление топографических и тематических карт масштаба 1:5 000 и мельче, а также выпускаться смежная продукция - фотопланы, фотокарты, трехмерные модели местности.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на Второй и Третьей международных конференциях «Земля из космоса -наиболее эффективные решения», г. Москва, 30 ноября - 2 декабря 2005 г. и 4-6 декабря 2007 г.; научно-практическом семинаре «Внедрение муниципальных геоинформационных систем. Мониторинг объектов градостроительной деятельности», г. Екатеринбург, 5 октября 2005 г.; Окружной научно-технической конференции «Муниципальные ГИС - комплексный подход к управлению территориями», г. Екатеринбург, 31 мая - 1 июня 2006 г.; Пятом и Шестом международном семинаре пользователей системы PHOTOMOD, г. Юрмала, Латвия, 13-16 сентября 2005 г. и г. Бечичи, Черногория, 18-22 сентября 2006 г.; Международной научной конференции «Суверенный Казахстан: 15-летний путь развития космической деятельности», Республика Казахстан, г. Алматы, 4-6 октября 2006 г.; Первой и Второй международных конференциях «Космическая съемка — на пике высоких технологий», г. Москва, 18-20 апреля 2007 г. и 16-18 апреля 2008 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Роль и место дистанционного зондирования Земли в инфраструктуре пространственных данных», г. Екатеринбург, 19-22 июня 2007 г.; XXIII Международной Картографической конференции, г. Москва, 4-10 августа 2007 г.; VII Международной научно-технической конференции «От снимка к карте: цифровые фотограмметрические технологии», г. Несебыр, Болгария, 17-20 сентября 2007 г.; Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2008», г. Новосибирск, 22-24 апреля 2008 г.; VIII Всероссийской научно-практической конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», г. Екатеринбург, 22-24 апреля 2008 г.; Региональной научно-технической конференции «Информационное обеспечение экологической безопасности территорий», г. Екатеринбург, 5-6 июня 2008 г.
Основные положения и результаты диссертационного исследования опубликованы в девяти статьях в периодических научных изданиях, в том числе четыре - в изданиях списка ВАК.
Геоинформационное обеспечение задач муниципального управления
На муниципальном уровне Российская инфраструктура пространственных данных служит интересам решения градостроительных, хозяйственных и иных задач в муниципалитетах. Анализ деятельности органов муниципального управления позволил выявить основные задачи, в которых используются пространственные данные [15, 17, 27, 63, 65, 78, 79, 80], а именно: — территориальное планирование: разработка и коррекция генерального плана; — территориальное зонирование: установление функциональных зон и контроль их использования; — планировка территорий: установление фактического использования территории, проектирование и установление охранных зон, проектирование планировки территорий, выявление резервов для размещения и строительства объектов; — застройка и реконструкция объектов: проектирование натурных съемок, выдача разрешительной документации; — благоустройство территории: мониторинг улично-дорожной сети и зеленых насаждений; — экологический контроль: целевое использование охранных зон, выявление незаконных свалок; — земельный кадастр: дежурство площади и назначения земельных участков, формирование кадастровой стоимости городских земель; - лесной кадастр: кадастр лесных земель, оценка состояния городских лесов и лесопарков, создание карт видового разнообразия растительности; - охрана историко-культурного наследия: формирование реестра недвижимого культурного наследия, контроль за его использованием; - социальная политика: размещение медицинских и научно-образовательных центров, спортивных сооружений, объектов досуга; - оперативное решение архитектурных вопросов; - оперативное решение имущественных вопросов.
Прототипом РИПД муниципального уровня является единое муниципальное информационное пространство (ЕРШ) - общегородское хранилище данных, в том числе геоданных, о территориальных объектах. Как отмечает А.В .Рынков [83, 88], единое муниципальное информационное пространство призвано преодолеть межведомственную разобщенность городских служб, исключить противоречивость и дублирование данных в разных ведомствах, повысить скорость обмена информацией, снизить затраты на актуализацию данных. Единое муниципальное информационное пространство обладает следующими свойствами: - ЕИП содержит комплексную информацию о пространственных объектах - географическую, правовую, инженерную, экологическую и пр.; - информация, содержащаяся в ЕИП, доступна всем заинтересованным службам и ведомствам города, а также гражданам и организациям в рамках имеющихся у них полномочий; - на основе ЕИП создаются внутриведомственные информационные системы, решающие специализированные ведомственные задачи; - посредством ЕИП осуществляется информационное взаимодействие между городскими организациями; - в рамках ЕИП также осуществляется передача информации по вертикали, то есть вышестоящим и нижестоящим организациям.
На рисунке 1 изображена схема функционирования единого муниципального информационного пространства. Хранилище пространст венных и реестровых данных создается в общих правилах описания, в единой системе идентификации объектов, сопровождается набором механизмов и технических регламентов внесения, обработки, получения, а также обмена данными [2]. Отдельные службы города являются пользователями данных единого информационного пространства, но одновременно предоставляют и своевременно обновляют сведения, законодательно закрепленные за ними. Например, бюро технической инвентаризации вносит в ЕИП технические характеристики здания, комитет культуры - данные об отнесении данного здания к памятникам культуры и архитектуры, управление архитектуры - проект реконструкции прилегающей территории и т.д. Установлено, что большой круг задач муниципального управления решается на основе графических материалов масштаба 1:10 000 [1, 2, 15, 17, 27, 63,78,79,80].
Таким образом, различные городские службы оперируют одними и теми же пространственными объектами - жилыми и промышленными зданиями, дорогами, коммуникациями, природными объектами. Крайне важно поддерживать информацию об этих объектах в актуальном состоянии. В первую очередь, это касается геопространственной информации, то есть сведений о форме, размерах и географическом положении объектов. В соответствии с концепцией РИПД [55] такие сведения называются пространственными данными.
Проблема актуализации пространственных данных муниципального уровня
Решение задачи актуализации пространственных данных предусматривается концепцией РИПД [55], Градостроительным кодексом [27] путем проведения мониторинга пространственных объектов. В общем случае мониторинг представляет комплексную систему выполняемых по научно обоснованным программам взаимосвязанных работ по регулярному наблюдению за объектами и территориями, оценке и прогнозу их изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов [102]. Профессор Цветков В.Я. [101] определяет геоинформационный мониторинг как технологию, реализующую наблюдение, интеграцию данных, комплексную обработку, прогноз и автоматизированное управление. При этом выделяется четыре признака мониторинга: - целенаправленность, то есть наличие целевой программы мониторинга; - комплексность, то есть многоаспектность наблюдений и методов анализа по заданной цели; - системность, то есть рассмотрение объекта мониторинга и окружающей среды, как единой системы с заданным множеством связей и отношений; - наличие информационной базы, то есть хранение и обновление информации в некой системе. Результаты мониторинга подразделяются на: - констатирующие - измеренные параметры состояния обстановки в момент обследования; - оценочные — результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок изучаемой ситуации; - прогнозные — показывающие развитие обстановки на заданный период времени.
В настоящей диссертационной работе мониторинг рассматривается как система регулярных наблюдений за городской территорией, накопления информации, сбора и преобразования пространственных данных в соответствии с произошедшими изменениями пространственных объектов и интеграции результатов в единое информационное пространство (в дальнейшем РИПД) муниципального уровня.
Для проведения мониторинга пространственных данных сегодня существует множество способов. Примерами являются стереотопографическая съемка, лазерное сканирование [36], геодезические измерения. Каждый из приведенных способов может быть реализован посредством целого ряда технологий. Так, при стереотопосъемке используется воздушная съемка топографическими аэрофотоаппаратами, цифровыми кадровыми камерами, цифровыми сканирующими камерами [54, 75, 77], даже неметрическими цифровыми камерами с малых беспилотных летательных аппаратов [46]. Выбор метода мониторинга в каждом конкретном случае определяется его точностью и информативностью, а также временными затратами и экономической эффективностью. Основным требованием к методу мониторинга является обеспечение полноты и точности определения пространственных характеристик наблюдаемых объектов.
Из проведенного автором анализа объектового состава и метрической точности единого муниципального информационного пространства (см. выше) следует, что одним из возможных способов мониторинга пространственных данных муниципального уровня является дистанционное зондирование Земли из космоса в оптическом диапазоне с пространственным разрешением порядка 1 м.
В отечественной и зарубежной литературе приводятся примеры картографирования населенных пунктов с использованием космических снимков сверхвысокого разрешения (1 м и выше).
Технология мониторинга местности по материалам детальной космической съемки опробована компанией ЗАО НПФ «ГЕО» (г. Омск) на территориях муниципального образования г. Новый Уренгой и населенных пунктов Красноселькупского района Ямало-Ненецкого АО, Омской области, Республики Саха (Якутия) [29].
Компанией TerraSpace (г. Москва) выполнялись работы по обновлению карт масштаба 1:10 000 по снимкам QuickBird, обработка стереопар снимков со спутника Ikonos на район плотной городской застройки в Марокко и построение по ним ЦМР и трехмерной векторной модели зданий, создание трехмерных моделей городов Японии по стереоизображениям OrbView-3 [73].
Интересное решение было применено при создании цифровых топографических карт масштаба 1:10 000 в Восточно-Сибирском филиале ФГУП «Госземкадастрсъемка»: стереотопографические работы выполнялись традиционным способом по материалам аэрофотосъемки; однако в тот же съемочный сезон, когда проводилась аэрофотосъемка, было выполнено и полевое дешифрирование по архивным космическим снимкам Ikonos. Реализованный подход позволил существенно сократить сроки выпуска продукции [72].
В статье [4] приводятся данные об ортотрансформировании снимка QuickBird в масштабе 1:2 000, однако замечается, что информативные свойства такого ортофотоплана не позволяют распознать и нанести все объекты цифрового топографического плана масштаба 1:2 000.
Обновление цифровых топографических карт масштаба 1:5 000 на основе снимков QuickBird выполняется в ФГУП «Уралгеоинформ» [9, 52]. Ввиду ограниченных дешифровочных возможностей снимков, эта технология применяется только для межселенной территории.
В то же время, по сообщению доктора Кацарского И. [47], компанией GIS-Sofia Ltd. выполнено обновление топографической карты масштаба 1:5 000 на центральную часть г. София по снимкам QuickBird и проведено картографирование изменений в национальном парке Vitosha Mountain по снимкам Ikonos.
В университете Павии (Италия) проведены экспериментальные работы по мониторингу застроенных территорий с помощью дистанционного зондирования в целях городского планирования и управления [109]. Работы включали: классификацию земель и дифференциацию линейных структур, измерение и мониторинг физических параметров (растительность, качество воздуха, шум и др.), анализ воздействия и оценку уязвимости (включая сброс воды, загрязнение земель, неофициальную застройку), а также корреляцию между физическими и демографическими/социо-экономическими показателями городских районов. Работы проводились по аэро- и космическим снимкам Ikonos, Spot, Landsat в масштабе 1:5 000 - 1:50 000.
Исследовательские работы по оценке точностных и изобразительных свойств космических снимков сверхвысокого разрешения, проведенные в Ганноверском университете, показывают возможность составления карт городских территорий по снимкам QuickBird в масштабе 1:5 000, по снимкам Ikonos и OrbView-З - в масштабе 1:10 000. Отмечается, что лучшие результаты достигаются при небольшом наклоне снимков и достаточной высоте солнца [115].
Теоретические основы фотограмметрической обработки космических снимков сверхвысокого разрешения
Фотограмметрическая обработка сканерных снимков, каковыми является большинство изображений, получаемых современными космическими сенсорами, существенно отличается от обработки кадровых снимков. Причиной тому служит принцип построчного формирования сканерного изображения путем последовательного "просмотра" местности. Мгновенно получается только одна строка изображения [25, 30, 48, 96]. На рисунке 2 показана геометрия формирования сканерного снимка. Каждая последующая строка получается из другой точки пространства и, кроме того, при другой ориентации сенсора. Каждая строка j имеет свои, уникальные элементы внешнего ориентирования XS.,YS.,ZS ,а:,бО:,К:. Изменения элементов внешнего ориентирования являются функцией времени /: Xs(t),Ys(t),Zs(t),a(t),co(t),K(t). Вид функции, описывающей изменение элементов внешнего ориентирования, зависит от характера движения носителя и определяется типом носителя и условиями стабилизации съемочной системы.
В оптико-электронных съемочных системах сверхвысокого разрешения, в основном, используются два режима съемки: а) синхронный режим, когда в течение съемочного сеанса сенсор остается неподвижным, его положение и угловая ориентация фиксированы относительно платформы КА; б) асинхронный режим, при котором во время съемки сенсор вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению движения КА, увеличивая время формирования отклика в линейке ПЗС (рисунок 4). Во втором случае учесть изменение элементов внешнего ориентирования гораздо сложнее, что подтверждается и практикой. В работах [106, 126, 132] отмечено, что для ориентирования снимков QuickBird (асинхронный режим) с точностью 1-3 пкс потребовалось большее количество опорных точек, чем для снимков Ikonos (синхронный режим).
Органы муниципальной власти, как правило, пользуются координатным описанием пространственных объектов в условных системах координат. Условные системы координат образованы от ГСК путем смещения начала координат, разворота координатных осей в плоскости XY и введения масштабного коэффициента. Высоты точек в условной СК соответствуют высотам в ГСК.
Уравнения (13) определяют условие принадлежности проектирующих лучей плоскости. Тогда сканерное изображение можно представить как совокупность центральных строк кадрового снимка. Строго говоря, строка сканерного изображения будет соответствовать не центральной строке снимка, а строке, параллельной оси х на расстоянии у0, хотя практически можно считать, что у0 -0. Если строка изображения формируется практически мгновенно, то геометрию строки можно рассматривать как центральную проекцию поверхности шириной AL:
Из (16) следует, что для определения плановых координат точек местности X,Y по космическим снимкам необходимо, кроме элементов внешнего и внутреннего ориентирования строки изображения, знать высоты точек местности Z. То есть, необходимо иметь цифровую модель поверхности Z = F(X,Y), изображенной на сканерном снимке.
Кроме строгого параметрического способа фотограмметрической обработки космических снимков, применяются и алгебраические методы, которые используют стандартные математические зависимости для установления связи между плоской системой координат снимка и пространственной условной системой координат местности. Достоинством алгебраических методов является ненужность сведений о параметрах съемки или сенсора. В то же время они не лишены недостатков. Алгебраические методы слишком условно, приближенно описывают модель съемки. Между тем, конструкция и особенности каждого сенсора существенно отличаются друг от друга. От того, насколько близка используемая математическая модель к реальности, зависит результирующая точность ориентирования снимков. К недостаткам алгебраических методов можно отнести и необходимость большого количества опорных точек, расположенных равномерно по полю снимка.
Так как полиномиальная модель использует только плановые координаты опорных точек, она подходит для обработки снимков небольших равнинных участков. Полиномиальные преобразования малых степеней хорошо зарекомендовали себя для уточнения RPC по опорным точкам (см. ниже): с учетом особенностей моделей съемки полиномы 0-ой степени используются при обработке снимков Ikonos, 1-ой степени - QuickBird, 2-ой степени - Cartosat-2 [105, 106, 115, 132]. Более высокую степень полинома использовать не рекомендуется.
Исследование точности визирования на точки космических снимков сверхвысокого разрешения
В предыдущем разделе приведены результаты экспериментальной оценки информационного потенциала космических снимков сверхвысокого разрешения, то есть определены объекты местности, распознаваемые по снимкам, и их дешифровочные признаки. Однако не менее важным является вопрос о точности визирования на точки космического снимка. В первую очередь, это связано с выбором опорных точек для фотограмметрической обработки снимков. В соответствии с нормативными требованиями [42], при развитии сетей фототриангуляции средняя погрешность планового положения опорных точек не должна превышать 0,1 мм в масштабе карты, средняя погрешность высотного положения - 0,1 высоты сечения рельефа. В случае обработки одиночных снимков или отдельных стереопар средние погрешности не должны превышать 0,3 мм в масштабе карты и 0,2-0,3 высоты сечения рельефа. На ошибку опорной точки т наибольшее влияние оказывают ошибка определения геодезических координат т и ошибка визирования тв : т =т у + тв (37) Значение ошибки т обусловлено методами планово-высотной подготовки снимков (с помощью геодезических спутниковых наблюдений, по топокартам и топопланам крупных масштабов и пр.). Ошибка же визирования тв зависит от таких факторов, как разрешение космического снимка, тип наблюдаемого контура, опыт наблюдателя. Для практической оценки ошибок визирования на точки космических снимков сверхвысокого разрешения было проведено следующее исследование.
Шесть исполнителей наблюдали одни и те же объекты на космических снимках QuickBird (разрешение 0,6 м) и Ikonos (разрешение 1 м), причем на последних - в моно- и стереорежимах. На снимках изображен г. Екатеринбург, включая центр города и окраины. Наблюдаемые объекты были разбиты на группы (многоэтажные здания, столбы и т.д.) по 30-33 объектов в каждой группе. Ориентировка снимков оставалась постоянной. Инструментарием служила ЦФС Photomod_4.3. Каждым исполнителем наблюдения производились дважды с интервалом от 1 до 18 дней, что позволило сформировать 12 относительно независимых рядов измерений. Измерения обрабатывались согласно теории статистических вычислений и математической обработки геодезических измерений [20, 37, 66].
Проверяется гипотеза о случайном характере ошибок визирования, для чего применяется критерий восходящих и нисходящих серий [6], который позволяет улавливать постепенное смещение среднего значения в исследуемом распределении не только монотонного, но и периодического характера по мере роста порядкового номера элемента выборки. Суть критерия заключается в следующем. На /-том месте выборки ставится «1», если Лхі+1 Axt , и «О», если Лх1+1 Axt .
Средние квадратические ошибки визирования на точки снимка Ikonos оказались равными 0,64 м для многоэтажных зданий, 0,56 м для 1-2-этажных зданий, 0,52 м для контурных точек, 0,80 м для столбов и 1,38 м для отдельных деревьев. Эти значения согласуются с замечаниями исполнителей и результатами проведенной оценки дешифровочных возможностей снимков Ikonos (см. 3.1), а именно: здания, газоны и клумбы, свежая разметка на дорогах и стадионах, асфальтированные площадки и тому подобные объекты четко и однозначно читаются на космических снимках сверхвысокого разрешения. В то же время столбы угадываются лишь по падающей тени, изображенной расплывчато несколькими пикселями. Что касается деревьев, низкая точность визирования объясняется тем, что неправильная форма кроны, ее смещение из-за перспективных искажений не позволяют однозначно зафиксировать основание дерева.
Несмотря на равную среднюю квадратическую ошибку визирования для многоэтажных капитальных и 1-2-этажных зданий, необходимо отметить полное отсутствие грубых измерений для многоэтажных зданий и наличие 3 % грубых измерений для 1-2 этажных зданий, что говорит о более уверенном распознавании многоэтажных зданий. 0,56 м, для контурных точек - 0,65 м, для столбов - 0,99 м, для отдельных деревьев - 1,31 м. По сравнению с моноскопическими наблюдениями точность визирования не изменилась ни в лучшую, ни в худшую сторону. Однако количество грубых измерений сократилось (таблица 10). Средние квадратические ошибки визирования по высоте составили для многоэтажных зданий 0,67 м, для 1-2-этажных зданий - 0,73 м, для контурных точек - 0,46 м, для столбов - 0,46 м, для отдельных деревьев — 0,64 м. Менее точное наведение на углы зданий можно объяснить худшим стереоэффектом из-за значительных различий в изображении высотных объектов на левом и правом снимках стереопары. Снимок с К A QuickBird обладал следующими характеристиками: - размер проекции пикселя на местности 0,6 м х 0,6 м; - угол отклонения от надира 16,5 ; - высота съемки — 450 км; - масштаб снимка - 1:50 000; - размер рабочей зоны снимка 10 км х 10 км. На снимке QuickBird выполнялись измерения двух групп объектов: углов капитальных многоэтажных зданий (как наиболее долговременных и четких контуров) и столбов (ввиду их неуверенного распознавания на снимках Ikonos с разрешением 1 м). Всего получено измерений многоэтажных капитальных зданий - 350, столбов - 319.
