Введение к работе
Актуальность работы. Эффективность использования данных космической съемки поверхности Земли в различных отраслях народного хозяйства во многом определяется точностью пространственной привязки снимка, цель которой состоит в том, чтобы обеспечить взаимно однозначное координатное соответствие между одноименными точками земной поверхности и изображения.
На сегодняшний день в федеральных и региональных центрах приема и обработки спутниковой информации существует практика ведения архивов видеоданных, получаемых с природно-ресурсных ИСЗ по радиоканалам. При этом протяженные высокоинформативные изображения, так называемые маршруты видеоданных, в темпе приема направляются в архив. Их оперативная пространственная привязка, выполняемая с использованием аналитических моделей движения ИСЗ и законов сканирования земной поверхности, не обеспечивает требуемую точность: ошибки могут достигать десятков километров. Это обусловлено случайными изменениями параметров положения спутника на орбите и углов ориентации датчика, которые не могут быть с высокой точностью оценены соответствующими наземными и бортовыми средствами. В итоге значительные погрешности привязки маршрутов существенно затрудняют последующий выбор из архива сюжетов поверхности Земли, запрашиваемых потребителями для обработки, т.е. на этапе архивации потоков видеоданных существует необходимость в коррекции их пространственной привязки.
При получении выходных информационных продуктов путем обработки отдельных небольших кадров, выбираемых из архива, со стороны потребителей предъявляются исключительно высокие требования к уровню автоматизации, оперативности и точности координатной привязки. В настоящее время точность привязки кадров повышается за счет использования опорных точек местности (ОТМ) - точек изображения с известными географическими координатами. Однако процесс получения ОТМ требует затрат квалифицированного ручного труда и занимает длительное время. Он сводится к тому, что оператор с помощью тех или иных инструментальных средств производит "съем" координат одноименных объектов изображения и картографической основы, в качестве которой обычно выступают оцифрованные топографические карты или предварительно обработанные аэрокосмические снимки. Таким образом, на этапе обработки кадров космических изображений также практически важной и актуальной является задача повышения уровня автоматизации, оперативности и точности пространственной привязки.
В последние годы для решения различных геоинформационных задач созданы векторные электронные карты (ЭК) местности. В отличие от растровой картографической основы характерной особенностью векторных ЭК является компактность их описания и послойное представление объектов (береговых линий, автодорог, населенных пунктов и т.д.), т.е. опорные объекты, которые используются для привязки, уже выделены и имеют координатное описание.
Это создает новые предпосылки для полной автоматизации процессов пространственной привязки изображений с использованием ЭК.
Диссертационная работа посвящена актуальной задаче - созданию математического и программного обеспечения процессов пространственной привязки по электронным картам материалов космической съемки поверхности Земли с целью повышения уровня автоматизации, оперативности и точности координатной привязки спутниковой видеоинформации на этапах ее приема, архивации и получения выходных информационных продуктов.
Степень разработанности темы. В настоящее время имеется значительный теоретический задел в области технического зрения и цифровой обработки изображений, в создание которого внесли вклад такие отечественные и зарубежные ученые, как Арманд Н.А., Волков A.M., Журкин И.Г., Злобин В.К., Козлов Ю.М., Путятин Е.П., Селиванов А.С., Тюфлин Ю.С., Хижниченко В.И., Ярославский Л.П., Chang S., DudaR., Gonzalez R., Horn В., Pratt W., Rosenfeld A., Wong R. и др.
Вопросам пространственной привязки космических изображений земной поверхности посвящено значительное число научных работ, однако многие из них касаются рассмотрения координатной обработки по орбитальным данным без использования опорных точек местности. Работы, посвященные пространственной привязке с использованием ОТМ, как правило, не затрагивают вопросов их получения либо предполагают участие оператора при "съеме" их координат по картографической основе. Попытки автоматизации данного процессе основаны на поиске одноименных точек на изображении и эталонных снимках Такой подход, требующий создания высокоинформативной базы опорных снимков и не обеспечивающий надежности поиска ОТМ при наличии содержательных различий между реальным и эталонным изображениями, не наше; практического применения.
Почти отсутствуют публикации по пространственной привязке космиче ских изображений с использованием электронных карт, за исключением работ в которых ЭК используются в рамках традиционных технологий, предпола гающих участие оператора. Тем не менее специфика векторного послойной описания объектов в ЭК создает предпосылки к разработке полностью автома тических технологий пространственной привязки изображений. При этом воз никает необходимость в исследовании двух основных групп вопросов. Перва группа связана с организацией автоматического поиска одноименных сюжето: на снимке и ЭК. Вопросы сопоставления растрового и векторного описания од ной и той же сцены в существующей литературе практически не рассмотрены Вторая группа вопросов связана с использованием ЭК для оперативной про странственной привязки протяженных изображений, получаемых в результат продолжительных сеансов съемки и передаваемых в федеральные и региональ ные архивы видеоданных. Решение аналогичных вопросов применительно ограниченным по размерам снимкам от фотографических и сканерных систеї не могут быть в полной мере распространены на случай съемки протяженны изображений (маршрутов), когда геометрия снимка существенно изменяется процессе его формирования.
В контексте рассматриваемой задачи нерешенными остаются вопросы создания надежных и полностью автоматических технологий поиска одноименных сюжетов на снимке и ЭК и организации на этой основе оперативной пространственной привязки протяженных маршрутов сканерной съемки и отдельных кадров по ЭК. Решение этих вопросов составляет основу настоящей диссертации.
Цель диссертации состоит в разработке математического и программного обеспечения для новой информационной технологии пространственной привязки космических изображений по электронным картам. Данная технология должна обеспечивать оперативную и точную координатную привязку сканерной видеоинформации к местности на этапах ее приема, архивации и формирования выходных информационных продуктов.
Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
разработать информационную технологию оперативной пространственной привязки сканерных космических изображений земной поверхности по электронным картам местности;
разработать математические модели пространственной привязки протяженных маршрутов видеоданных с использованием ЭК;
разработать математические модели прецизионной привязки к местности кадров сканерных изображений на основе их сопоставления с ЭК;
разработать алгоритмы автоматического поиска одноименных сюжетов на космическом изображении и электронной карте с целью определения координат ОТМ.
Научная новизна. Использование традиционных технологий пространственной привязки спутниковой видеоинформации на этапах ее архивации и обработки далеко не устраивает потребителей с точки зрения оперативности, точности и уровня автоматизации этого процесса. Появление в последние годы векторных электронных карт местности, как компактной и весьма точной картографической основы, создало предпосылки для решения этих задач, чему и посвящена настоящая диссертационная работа.
На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
математическое и программное обеспечение информационной технологии пространственной привязки космических изображений по электронным картам, позволяющее выполнить автоматическую, точную и оперативную привязку видеоинформации на этапах ее приема, архивации и формирования выходных информационных продуктов;
математические модели пространственной привязки протяженных маршрутов с использованием ЭК, основанные на уточнении параметров положения ИСЗ на орбите и углов ориентации датчика и обеспечивающие оперативную обработку сверхбольших объемов данных в условиях значительных погрешностей первоначальной привязки;
математические модели пространственной привязки кадров космических изображений, основанные на использовании опорных элементов местно-
сти и позволяющие в оперативном режиме выполнять прецизионную обработку снимков;
алгоритмы поиска одноименных сюжетов на космическом изображении и векторной электронной карте, обеспечивающие надежное и оперативное определение координат опорных точек местности и позволяющие полностью автоматизировать процесс пространственной привязки.
Практическая ценность работы. На базе разработанных математических моделей и алгоритмов создано программное обеспечение оперативной пространственной привязки космических изображений по электронным картам, обеспечивающее полную автоматизацию и высокие точности координатной привязки к местности спутниковой информации. Данное программное обеспечение используется для пространственной привязки протяженных маршрутов видеоданных и отдельных кадров в системах обработки спутниковой информации от природно-ресурсных ИСЗ серий "Ресурс-01" и "Океан-О" на этапах ее приема, архивации и получения выходных информационных продуктов.
Реализация и внедрение. Диссертационная работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии в рамках Государственного контракта с Российским авиационно-космическим агентством №912-1019/97 от 28.07.98 г., НИР № 8-97Г (гранта Министерства образования РФ от 03.03.97 г.), ОКР № 25-95 от 10.01.95 г., ОКР № 15-97 от 06.01.97 г., ОКР №25-98 от 01.01.98 г., ОКР № 13-98 от 05.01.98 г., ОКР № 17-98 от 01.09.98 г., ОКР № 11-99 от 04.01.99 г. с организациями Российского авиационно-космического агентства.
Результаты диссертационной работы в виде математического и программного обеспечения использованы и внедрены в Российском НИИ космического приборостроения, ЗАО "НПО космического приборостроения", Научном центре оперативного мониторинга Земли, что подтверждается актами, приведенными в приложении.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 3-х международных и 4-х всероссийских научных конференциях и семинарах: 2-й и 3-й Международных научно-технических конференциях "Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика" (Рязань, 1998, 2000); 8-м Международном научно-техническом семинаре "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций" (Рязань, 1999); Всероссийских молодежных научных конференциях "XXIII Гагаринские чтения", "XXV Гагаринские чтения" и "XXVI Гагаринские чтения" (Москва, 1997, 1999, 2000); Всероссийской научно-технической конференции "Новые информационные технологии в радиоэлектронике" (Рязань, 1998).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения и приложения. Объем работы составляет 162 страницы, в том числе: основное содержание - 127 страниц, рисунки - 15 страниц, таблицы - 7 страниц, список литературы (124 наименования) - 13 страниц. Приложение содержит документы, подтверждающие внедрение полученных результатов.
