Содержание к диссертации
Введение
1. Предпосылки усовершенствования методов обработки данных дистанционного зондирования, как одного из основных средств аналитического и неразрушающего контроля природной среды при геолого-геофизических исследованиях 19
1.1. Перспективы развития геоинформационных технологий на основе дистанционных методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды и современных концепций «машинного зрения» 21
1.2. Принципы построения геолого-геофизического информационного пространства на основе неразрушающих природную среду дистанционных методов зондирования Земли и геоинформационных технологий 27
1.3. Основные типы данных дистанционного зондирования, основанные на принципах неразрушающего воздействия на окружающую среду 33
1.4. Основные характеристики данных дистанционного зондирования в геологическом аспекте 44
1.4.1. Геологическая информативность космических снимков 45
1.5. Применение данных дистанционного зондирования для создания и обновления тематических картографических материалов 51
1.6. Выводы к главе 1 56
2. Обзор неразрушающих природную среду систем дистанционного зондирования и методов обработки ддз среднего и высокого пространственного разрешения 57
2.1. Характеристики и особенности неразрушающих природную среду космических съёмочных систем дистанционного зондирования 57
2.1.1. Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения QuickBird [43] 59
2.1.2. Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения IKONOS [43] 60
2.1.3. Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения EROS В 61
2.1.4. Космические аппараты дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения SPOT
2.1.5. Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения ALOS [43] 64
2.1.6. Космический аппарат дистанционного зондирования среднего пространственного разрешения IRS-1C/1D 65
2.1.7. Космический аппарат дистанционного зондирования среднего пространственного разрешения Landsat-7 66
2.1.8. Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения «Ресурс-ДК» 67
2.1.9. Радиолокационный космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения «TerraSAR-X» 69
2.2. Общие сведения об обработке данных ДДЗ как важного средства аналитического и неразрушающего контроля природной среды при геолого-геофизических исследованиях 72
2.2.1. Фотограмметрическая обработка данных дистанционного зондирования 74
2.2.2. Сущность процесса ортофототрансформирования 76
2.2.3. Влияние рельефа местности на смещение точек на снимке 80
2.2.4. Связь координат точек растрового изображения аэрокосмических снимков и их положения на местности 82
2.2.5. Определение элементов внешнего ориентирования снимка 84
2.2.6. Определение элементов внешнего ориентирования снимка по координатам опорных точек 85
2.3. Методы создания и обновления тематических карт по материалам дистанционного зондирования 86
2.3.1. Технология создания и обновления цифровых тематических карт по материалам аэрофотосъемки 87
2.3.2. Технология создания и обновления цифровых тематических карт по материалам космической съемки 92
2.4. Методы фотограмметрической обработки материалов космической съемки высокого разрешения 97
2.4.1. Обработка данных дистанционного зондирования на основе коэффициентов полиномов рациональных функций RPC (Rational Polynomial Coefficients) 98
2.4.2. Обработка данных дистанционного зондирования на основе метода прямого линейного трансформирования растровых изображений DLT (Direct Linear Transformation) 100
2.5. Методика ортотрансформирования сканерных снимков высокого разрешения КА QuickBird на основе коэффициентов RPC 106
2.6. Вывод к главе 2 113
3. Методика трансформирования данных дистанционного зондирования на основе материалов пространственного положения пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности 114
3.1. Основные элементы технологии трансформирования ДДЗ на основе материалов планово-высотной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности 115
3.2. Программный модуль для проверки топологии базы данных сейсмического профилирования (SeisExport) 125
3.3. Программный модуль для анализа принадлежности данных геофизических наблюдений и цифровых моделей местности заданному полигону (Seismic Set) 127
3.4. Программный модуль для создания базы данных пересечений профилей и ЦММ, создания ЦМР «Cross Profiles» 128
Заключение 137
Литература
- Принципы построения геолого-геофизического информационного пространства на основе неразрушающих природную среду дистанционных методов зондирования Земли и геоинформационных технологий
- Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения IKONOS [43]
- Общие сведения об обработке данных ДДЗ как важного средства аналитического и неразрушающего контроля природной среды при геолого-геофизических исследованиях
- Программный модуль для проверки топологии базы данных сейсмического профилирования (SeisExport)
Введение к работе
Актуальность.
Освоение нефтегазовых ресурсов Восточной Сибири, учитывая сложные геологические, географические и экономические условия, требует значительных финансовых затрат, поэтому необходимо их тщательное обоснование, применение наиболее перспективных направлений и современных технологий с точки зрения экономической эффективности планируемых работ. Для обеспечения высокой точности регионального и локального прогнозов и моделирования резервуаров месторождений углеводородного сырья необходимо анализировать огромные массивы постоянно изменяющейся пространственно распределенной информации. Для решения этой задачи необходимо применение современных дистанционных методов исследования перспективных нефтегазоносных территорий, комплексное использование материалов дистанционных, неразрушающих природную среду геолого-геофизических и аэрокосмических методов зондирования Земли и самых совершенных технологий их обработки.
Для многоаспектного анализа геолого-геофизического информационного пространства, эффективного планирования и мониторинга геологоразведочных работ необходимо широкое применение геоинформационных технологий, как одного из наиболее перспективных направлений в деле достижения высокой прибыльности нефтегазовой отрасли, сочетающейся с рациональным природопользованием и неразрушающими методами изучения и контроля природной среды.
Эффективная реализация многократно возросшего потенциала современных, неразрушающих природную среду дистанционных методов исследования нефтегазоносных структур, основывающихся на повышении информативности и точности сигналов регистрирующей аппаратуры, применении самых современных технологий геофизических исследований и совершенных компьютерных систем интерпретации геолого-геофизической информации, возможна при условии максимального использования данных дистанционного зондирования Земли.
Поиск новых и повышение информативности и достоверности существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, определяется необходимостью совершенствования способов обработки материалов аэрофотосъемки и космической съемки.
Разработка и усовершенствование технологий обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ), создание актуальных цифровых моделей местности (ЦММ) на основе материалов аэрофотосъемки и космической съемки многократно увеличивают достоверность представления о геологическом строении исследуемой территории, минерально-сырьевых ресурсах и рациональной технологии разработки месторождений углеводородного сырья.
Обработка материалов аэрофотосъемки и космической съемки – важнейшая составная часть тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли. Операции трансформирования ДДЗ предназначены для преобразования исходных растровых изображений в систему координат заданной картографической проекции.
Решение актуальных задач по качественному геоинформационному обеспечению комплекса геолого-геофизических работ по разведке и освоению месторождений углеводородов, связано с необходимостью усовершенствования существующих, и разработкой и программной реализацией новых алгоритмов и методов обработки ДДЗ, как важнейшего источника информационных данных, неразрушающих природную среду дистанционных методов, обеспечением достоверности полученной информации и оперативного доступа к ней на основе современных геоинформационных технологий.
Научная проблема определяется необходимостью разработки экономически эффективных и оперативных методов геометрической обработки ДДЗ, и создания актуальных и достоверных ЦММ для геоинформационного обеспечения комплекса геолого-геофизических работ по поиску и освоению месторождений углеводородов.
В диссертации предлагаются технические решения для оптимизации процессов обработки ДДЗ, путем использования разработанной методики и программного обеспечения, в целях повышения информативности и достоверности результатов, неразрушающих природную среду, аэрокосмических методов дистанционного зондирования Земли.
Объектом исследования настоящей работы являются материалы аэрофотосъемки и космической съемки, служившие в качестве основы для геоинформационного обеспечения геолого-геофизических работ по разведке и освоению нефтегазовых месторождений в Красноярском крае.
Цели исследования – повышение информативности и достоверности существующих, неразрушающих природную среду, дистанционных аэрокосмических методов исследования перспективных нефтегазовых месторождений, путем создания и апробирования методики геометрической обработки ДДЗ на основе данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.
Основные задачи исследований
Для выполнения поставленной в работе цели, решались следующие задачи:
1. Провести анализ современных космических систем дистанционного зондирования Земли и методов их геометрической обработки для решения широкого круга научных и практических задач при выполнении комплекса геолого-геофизических и экологических исследований при поиске и эксплуатации месторождений углеводородного сырья.
2. Разработать методику создания опорной планово-высотной основы по материалам пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.
3. Создать алгоритмы и программные модули для создания опорной планово-высотной основы для оптимизации процесса геометрической обработки аэрофотоснимков и космических снимков, позволяющие повысить информативность и достоверность результатов обработки ДДЗ для геоинформационного обеспечения геологоразведочных работ.
4. Создать на основе разработанной методики базу данных опорных планово-высотных пунктов для геометрической обработки ДДЗ.
5. Экспериментально оценить результаты обработки на примере перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.
Фактический материал и методы исследований
Предлагаемые технические решения поставленных задач основаны на современных достижениях в области геометрической обработки ДДЗ, цифровых фотограмметрических методах трансформирования растровых изображений.
Фактический материал состоит из материалов аэрофотосъемок 2001-2003 г.г., материалов архивной космической съемки среднего пространственного разрешения Landsat-7 ETM+ 2000-2002г.г., материалов космической съемки высокого пространственного разрешения QuickBird 2006-2008 г.г.
В качестве программного обеспечения для цифровой обработки ДДЗ использовался программный комплекс ITT ENVI 4.5, для геоинформационного обеспечения MapInfo Professional 8.5, ESRI ArcGis 9.2.
Алгоритмы, программы, базы данных и методика обработки ДДЗ прошли стадию научно-производственного опробования на обширном и разнообразном экспериментальном материале.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Методика создания планово-высотной основы для геометрической обработки ДДЗ, позволяющая существенно снизить затраты на полевые геодезические работы для определения координат опорных наземных пунктов.
2. Методика анализа пространственного положения геофизической сети сейсмических профилей на основе ДДЗ.
3. Комплекс программ для создания базы данных опорной планово-высотной сети для оптимизации процесса геометрической обработки материалов аэрофотосъемки и космической съемки, повышающий информативность и достоверность результатов неразрушающих природную среду аэрокосмических методов дистанционного зондирования Земли.
Научная новизна диссертационной работы состоит из нижеследующего:
1. Впервые предложен метод создания опорной планово-высотной сети для геометрической обработки ДДЗ, на основе комплексного использования данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.
2. Разработаны алгоритмы и программные средства для создания базы данных опорной планово-высотной сети для оптимизации процесса геометрической обработки материалов аэрофотосъемки и космической съемки, позволяющие повысить информативность и достоверность результатов обработки, аэрокосмических методов дистанционного зондирования.
3. Разработаны программные средства для пространственного анализа топологии сейсмических профилей, вычисления и анализа пересечений линейных объектов цифровой модели местности с сейсмическими профилями, формирования файлов пересечений в форматах геоинформационных систем (ARCGIS, MapInfo).
4. Создана на основе разработанной методики база данных опорных планово-высотных пунктов для геометрической обработки ДДЗ на территорию перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.
Достоверность полученных результатов подтверждена данными полевых топографо-геодезических работ и материалами топографической съемки объектов инфраструктуры обустройства месторождений.
Личный вклад.
Автором разработана методика создания опорной планово-высотной сети для геометрической обработки ДДЗ, на основе комплексного использования данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности.
На основе расчетных формул разработано три численных алгоритма для пространственного анализа топологии сейсмических профилей, вычисления и анализа пересечений линейных объектов цифровой модели местности с сейсмическими профилями:
- алгоритм для проверки принадлежности координат сейсмогеологического объекта заданному полигону;
- алгоритм для создания и обработки файлов координат пересечения сейсмических профилей в пределах заданного полигона, включая: поиск файлов профилей по шаблону; перевод всех файлов в единую координатную зону; создания файлов в форматах геоинформационных систем (ARCGIS, MapInfo); нахождение координат пересечений между профилями; нахождение сейсмических профилей, лежащих внутри либо пересекающих заданный полигон;
- алгоритм для обработки и анализа топологии сейсмических профилей, создания векторных слоев форматах геоинформационных систем (ARCGIS, MapInfo) в проекции «широта-долгота».
На основе разработанной методики создана база данных опорной планово-высотной основы для ортотрансформирования материалов космической съемки высокого пространственного разрешения на территорию пяти перспективных месторождений углеводородного сырья в Красноярском крае.
Практическую значимость представляет разработанная технология и программный комплекс для геометрической обработки ДДЗ на основе данных пространственной привязки пунктов геофизических наблюдений и цифровых моделей местности, и созданная по разработанной методике база данных опорных планово-высотных пунктов на территорию перспективных нефтегазовых месторождений. Материалы диссертационных исследований внедрены и используются в ЗАО «Красноярскгеофизика», в ООО «РН-КрасноярскНИПИнефть», ООО «Геола» и др.
Разработанная автором методика и комплекс прикладных программ применяются при верификации данных пространственной привязки сейсморазведочных профилей и скважин для выявления и коррекции ошибок в плановом положении, используется для ортотрансформирования материалов космической съемки и создания актуальных цифровых моделей местности для геоинформационного обеспечения комплекса геолого-геофизических работ по разведке и освоению нефтегазовых месторождений.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях (Всероссийская конференция «ГЕОМОДЕЛЬ-2002» (Москва, 2002), EAGE International Conference & Technical Exhibition S-Pb - 2006 (Saint-Peterburg-2006), IХ международная научно-практическая конференция и выставка «Геомодель-2007» (Геленджик, 2007), III nternational Conference Remote Sensing - the Sinergy of High Technologies (Moskow, 2008) и др.)
Публикации
По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, из них три статьи в изданиях по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, трех разделов, Заключения. Содержит 42 рисунка, 10 таблиц, библиографический список использованных источников из 98-и наименований. Общий объем диссертации – 148 страниц.
Принципы построения геолого-геофизического информационного пространства на основе неразрушающих природную среду дистанционных методов зондирования Земли и геоинформационных технологий
Логичным объединяющим инструментом для интегрирования сложно-организованного геолого-геофизического пространства, по нашему глубокому убеждению, должна служить географическая информационная система (ГИС), основанная на объектно-ориентированной технологии и широком применении ДДЗ.
Широкое применение ГИС и цифровых моделей местности (ЦММ) становится нормой в практике планирования, проектирования, научного сопровождения геологоразведочных работ, при приемке полевых материалов, обработке, интерпретации и обобщении результатов геолого-геофизических исследований. Использование цифровых моделей местности в ГИС-проектах существенно улучшает качество и оперативность многоаспектного анализа информационного геолого-геофизического пространства и любой другой пространственно-распределенной информации [105].
Современные средства ГИС предоставляют огромный спектр инструментов и поддерживают операции с объектами производственной и финансово-хозяйственной деятельности добывающих минерально-сырьевые ресурсы компаний: скважинами, трубопроводами, дорогами, объектами гидрографии и населенными пунктами, инженерными коммуникациями, геофизическими профилями и пунктами сейсмозондирования, элементами инфраструктуры и природными экосистемами.
Эффективность научно-исследовательских работ по интерпретации и обобщению геолого-геофизических материалов, а также научному сопровождению геологоразведочных работ при поисках и разведке полезных ископаемых и, в частности, нефти и газа, во многом определяется доступностью, полнотой и оперативностью анализа геолого-геофизической информации, многогранные возможности ГИС в полной мере отвечают потребностям нефтегазовой индустрии в целом, и практически всем направлениям деятельности отдельных компаний и их подразделений, позволяют выполнять пространственный анализ данных при решении общих и прикладных задач [90].
Модели данных подавляющего числа современных ГИС описывают цифровое представление и взаимосвязи географических объектов, но весьма с большой натяжкой можно считать данное логическое описание объектов адекватным реальному миру.
С момента появления ГИС в основном имели несколько моделей данных (например, растровые модели данных, TIN модели, CAD модели), выбор модели геоданных определялся областью применения системы. В некоторых ориентированных на работу с большими базами данных ГИС (например, ARC/INFO), используется геореляционная модель данных. Для геореляционной модели характерно хранение пространственной векторной составляющей и топологии описываемых географических объектов в специальных файлах, а атрибутивной составляющей - во внешних базах данных. Связь между внутренними файлами, описывающими геометрию и топологию пространства и атрибутивной базой данных регламентируется и осуществляется средствами такой ГИС [93].
В основе данной модели лежит геометрическое описание типа объекта, такая модель отображает мир в виде наборов точек, линий и полигонов, операции с геометрией и топологией объектов реализованы как отдельные базовые процедуры.
Популярность геореляционной модели данных таких ГИС объясняется их производительностью и относительной гибкостью, благодаря встроенным языкам расширения приложений и, в основном отсутствием альтернативы. Давно стало очевидно, что такой подход имеет серьезные недостатки и определенные ограничения при построении реальных моделей географических объектов и их чрезвычайно сложных взаимосвязей.
Альтернативой для эффективного решения данной проблемы является применение объектно-ориентированных технологий при построении моделей данных ГИС, при широком применении ДДЗ [74]. Объектно-ориентированный принцип построения моделей геолого-геофизического геоинформационного пространства наиболее полно реализует описание и поддержку сложных объектов, наследование свойств классов, он позволяет реально и одновременно моделировать в геоинформационной системе, как состояние, так и поведение объектов информационного пространства. На рисунках 1.1 и 1.2 приведены примеры реализации интегрированного геолого-геофизического пространства в среде объектно-ориентированной геоинформационной системы на основе геофизических данных, данных ДЗЗ, цифровых моделей местности.
Космический аппарат дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения IKONOS [43]
Данные дистанционного зондирования со спутника TerraSAR-X обладают самым высоким пространственным разрешением для радарных систем (до 1 м), имеют возможность круглосуточного всепогодного наблюдения за любыми объектами на земной поверхности, позволяют получать высокоточные цифровые модели рельефа (ЦМР) с помощью интерферометрических методов, позволяют осуществлять мониторинг самых незначительных подвижек на поверхности Земли (до нескольких мм).
Особо следует отметить уникальную оперативность выполнения заказа съемки (1-6 дней). Спутник TerraSAR X, разработанный немецким аэрокосмическим центром (DLR) и компанией EADS Astrium GmbH планируется вывести на орбиту 27 февраля 2007 года. Спутник будет находиться на солнечно-синхронной полярной орбите высотой 514 км с наклонением 97,44. Расчетный срок пребывания на орбите аппарата TerraSAR X составляет около 5 лет. Оснащение спутника новейшим радаром с синтезированной апертурой, позволяющим выполнять интерферометрическую съемку земной поверхности с беспрецедентным пространственным разрешением (до 1 м) сделает немецкую спутниковую систему TerraSAR X - наряду с итальянской COSMO-SkyMed наиболее совершенным инструментом дистанционного зондирования Земли. Радар будет выполнять съемку земной поверхности в Х-диапазоне длин волн (3,1 см), с изменяемой поляризацией излучения (НН, VH, HV, VV), в диапазоне съемочных углов от 20 до 55 градусов. Эксплуатировать спутник будет немецкая компания Infoterra GmbH.
Области применения данных дистанционного зондирования, полученных со спутника TerraSAR X [43]. - Создание и обновление топографических карт и планов вплоть до масштаба 1: 10 000; - Создание ЦМР и ЦММ высокой точности (2 - 4 м по высоте); - Высокоточное наблюдение за состоянием инфраструктурных сетей (трубопроводы, железные дороги, телекоммуникации); - Оценка сейсмической опасности, прогнозирование землетрясений, извержений вулканов; - Всепогодное наблюдение за природными и антропогенными катастрофами (половодья, пожары, аварии); - Контроль береговых зон и наблюдение за судами; - Картирование сельскохозяйственных культур, определение состояния посевов, точное сельское хозяйство; - Картирование древостоев, определение породного состава без наземных исследований, мониторинг вырубок и состояния лесов; - Контроль и управление городской средой; - Задачи обеспечения обороны и безопасности.
В заключение обзора неразрушающих природную среду космических систем дистанционного зондирования хотелось бы особенно отметить перспективность радарных систем дистанционного зондирования. Запуск радарного спутника сверхвысокого разрешения TerrSAR-X знаменует начало новой технологической революции. Новейшая аппаратура, установленная на борту спутника TerrSAR-X позволит широкому кругу пользователей получать радарные данные вне зависимости от погоды и времени суток, безусловным преимуществом данной системы является высокое пространственное разрешение съемки, возможность поставки данных в четырех поляризационных режимов в высокочастотном диапазоне электромагнитных волн. В 2009 планируется запустить второй аппарат серии TerraSAR - Tandem-X, что сделает возможным получение высокоточных цифровых моделей рельефа до 50 см по высоте, за счет возможностей технологии интерферометрической обработки данных, 2.2. Общие сведения об обработке данных ДДЗ как важного средства аналитического и неразрушающего контроля природной среды при геолого-геофизических исследованиях
Самым сложным этапом в обработке ДЗЗ является процесс трансформирования аэрокосмических растровых изображений. Под трансформированием обычно понимают установление однозначного соответствия между координатами на снимке и на топографической карте или плане. Эта задача решается несколькими способами: - посредством внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования изображений, построением фотограмметрических сетей. При вводе картографической информации могут преобразовываться как изображения снимков в проекцию карты, так и векторная карта в проекцию снимка [76,84]. При геометрической обработке ДДЗ большое влияние на точность трансформирования оказывает алгоритм, который рекомендуется разрабатывать с учетом особенностей снимков.
Возможно трансформирование материалов космической и аэрофотографической съемки без учета геометрии, путем аппроксимации зависимостей между координатами на снимке и на карте полиномами или другими методами [87], в частности нейронными сетями. В любом случае необходимо учитывать, что снимок - это изображение реальной земной поверхности, а карта - изображение земной поверхности на плоскости в определенной картографической проекции, поэтому необходимо установить в какой проекции должен быть получен ортофотоплан.
Установление соответствия между координатами объекта на карте и на снимке заключается в определении коэффициентов отображающих функций (элементов ориентирования или коэффициентов отображающих полиномов). В случае использования строгого алгоритма исходными данными могут быть: таблица дисторсии, координаты центров проектирования, углы поворота снимка, высота фотографирования и другие параметры.
Общие сведения об обработке данных ДДЗ как важного средства аналитического и неразрушающего контроля природной среды при геолого-геофизических исследованиях
Для получения по космическим снимкам картографических кондиционных продуктов крупных масштабов, метрическая точность которых удовлетворяет требованиям соответствующих инструкций, недостаточно выполнения процедуры «географической привязки снимков», под которой обычно подразумевают опознание некоторого числа точек с известными плановыми координатами, которые используются для аффинного трансформирования растра [86,88]. Ортотрансформированные и приведенные на плоскость проекции в требуемой системе геоцентрических координат растровые спутниковые изображения представляют собой уникальный источник информации, соответствуют цифровым топографическим картам по масштабу и геометрической точности. Благодаря этому замечательному свойству, ортотрансформированные данные дистанционного зондирования позволяют создавать и обновлять цифровые модели местности до масштабов 1: 5 000.
Чтобы построить высокоточные ортофотопланы, а также матрицы высот и производные от них продукты, необходимо провести фотограмметрическую обработку снимков. Большинство современных оптико-электронных космических систем дистанционного зондирования среднего и высокого разрешения (SPOT, IRS, IKONOS, QuickBird, Terra/ASTER, EROS и др.) формируют изображение построчно; при этом каждая строка снимка имеет собственные элементы внешнего ориентирования, а геометрические соотношения между положением точек на местности и их изображениями на снимке не подчиняются законам центральной проекции. Это требует применения специальных методов фотограмметрической обработки таких снимков. Наибольшую точность обеспечивает строгий подход к обработке снимков, основная идея которого заключается в восстановлении пространственного положения совокупности лучей, сформировавших снимок, то есть элементов внутреннего и внешнего ориентирования строк снимка [79]. Необходимым условием для применения этого метода является доступность элементов внутреннего ориентирования сенсора, или его геометрической модели, задающей направляющий вектор луча, регистрируемого каждым детектором сенсора, в системе координат, связанной с сенсором. Наличие приближенных значений элементов внешнего ориентирования (координат носителя и углов его ориентации как функции времени или номера строки) также желательны, но, в большинстве случаев, не столь необходимы (за исключением случая, когда ориентация сенсора значительно изменяется во время формирования изображения) [78]. Кроме того, следует учитывать, что зависимости между координатами на местности и на изображении нарушаются при геометрической коррекции снимков, поэтому для обработки в рамках этого подхода пригодны лишь изображения, подвергавшиеся только радиометрической коррекции. Строгий метод обработки применим к снимкам SPOT, EROS, QuickBird (продукт уровня Basic), ASTER и т.д.
Геометрическая модель сенсора и результаты его калибровки могут быть недоступны [43]. Кроме того, в некоторых случаях снимки, не подвергавшиеся геометрической коррекции, не поставляются совсем (IKONOS), либо поставляются лишь целыми кадрами (QuickBird, продукт уровня Basic), в то время как для геометрически преобразованных изображений можно заказать полигон нужной формы и меньшей площади (QuickBird, продукт Standard Ortho Ready). В этом случае в комплект поставки продукта ДЗЗ, помимо самого изображения, могут входить RPC (Rational Polynomial Coefficients или Rapid Positioning Capability), представляющие собой коэффициенты полиномов рациональных функций, связывающих координаты точек местности с координатами их изображений на растре. Значения этих коэффициентов рассчитываются поставщиком данных строгим методом, с использованием геометрической модели сенсора, бортовых и телеметрических измерений элементов внешнего ориентирования, и, в некоторых случаях, опорных точек [13].
Поскольку RPC являются аппроксимацией строгой модели сенсора, следовательно, применяя данные RPC теоретически возможно обеспечить получение выходных ортотрансформированных продуктов большей точности. Тем не менее, практика показывает, что, как правило, ортотрансформи-рованные на основе RPC сканерные растровые космические снимки редко по результатам уравнивания превосходят по точности минимальную величину пространственного разрешения снимков.
Метод уравнивания определяет не только достижимую точность, но и требования к количеству опорных точек. Для уравнивания строгим методом минимальное количество точек обычно четыре-пять, хотя предпочтительно использовать несколько больше. В случае использования при ортотрансфор-мировании метода RPC, для достижения необходимой точности бывает достаточно единственной опорной точки на снимок, хотя, конечно, более точные и надежные результаты будут получены при использовании большего количества опорных точек, особенно это характерно для протяженных снимков или их мозаик [18].
При применении данного метода необходимо учитывать, что собственно сами коэффициенты RPC и эффективность их использования напрямую зависят от геометрии исходного растрового изображения, которую эти RPC аппроксимируют, даже применение минимального числа опорных точек, обеспечит высокую точность ортотрансформирования при соблюдении определенных условий. Что же касается универсальных методов, то, даже если минимально необходимое число опорных точек составляет всего несколько единиц, для получения надежных результатов следует использовать их как можно больше, так как все параметры универсальной модели вычисляются только по опорным планово-высотным точкам.
При невозможности использования строгого метода и отсутствии RPC, применяются универсальные методы, основанные на самых общих и приближенных предположениях о геометрии оптико-электронной системы дистанционного зондирования и получаемого изображения. Например, предположение о равномерности и прямолинейности движения носителя и неизменности его ориентации на участке формирования снимка приводит к параллельно-перспективной модели, если считать, что геометрическая модель сенсора может быть представлена двумерной центральной проекцией [21]. В универсальных методах в основном применяются модель DLT (Direct Linear Transformation) и её модификации, аффинная модель, учитывающая, что системы высокого разрешения имеют узкое поле зрения, и аппроксимирующие полиномиальные модели [26]. Характеристики точности по результатам ор-тотрансформирования выходных продуктов, получаемых вышеуказанными методами, как правило, ниже, чем при применении строгой модели сенсора или метода на основе RPC.
Метод прямого (или непосредственного) линейного трансформирования DLT для фотограмметрической обработки изображений впервые был применен в 1971 году Абдель-Азизом Аль-Карара. С помощью данного метода, имея минимальное количество опорных точек, координаты пикселов растрового изображения представляются как функции плоской координатной системы, в которой определены опорные точки. В общем виде уравнение DLT может быть представлено следующим образом:
Программный модуль для проверки топологии базы данных сейсмического профилирования (SeisExport)
В качестве системы обработки и интерпретации, данных аэрофотосъемки и космической съемки может служить любой программный комплекс для обработки растровых изображений аэрофотоснимков и космических снимков, в данном случае это ENVI фирмы ITT.
База данных цифровых моделей местности, как правило, состоит из цифровых топографических и тематических карт, созданных по известным технологиям.
Система специализированной обработки пространственно-распределенной информации и создания базы опорных пунктов для трансформирования ДДЗ создана автором в рамках данной диссертационной работы и включает в себя три основных программных модуля для анализа, коррекции и создания базы опорных точек пересечения сейсмических профилей и контуров линейных объектов ЦММ, созданных на основе изданных крупномасштабных топографических и тематических карт и иных векторных объектов. Ниже приводится краткое описания функций созданных программных модулей «Seis Export», «Seismic Set», «Cross Profiles».
Созданные на основе модифицированных алгоритмов программные модули решают следующие основные задачи: 1) Анализ топологии сети сейсмического профилирования; 2) Вычисление и анализ точек пересечения сейсмических профилей в трехмерном координатном пространстве; 3) Вычисление и анализ пересечений сейсмических профилей с линейными объектами ЦММ; 4) Создание массива точек опорной планово-высотной сети для ор-тотрансформирования изображений ДЗЗ в геоцентрической системе координат; 5) Создание файла ЦМР для формирования растровой матрицы рельефа; 125 6) Создание файла точек опорной планово-высотной сети для ор тотрансформирования изображений ДЗЗ в системе координат растрового изображения снимка; 7) Формирование базы данных опорной планово-высотной сети в фор матах геоинформационных систем. Полученные данные являются исходными для дальнейшей обработки в специализированном программном комплексе для обработки данных дистанционного зондирования «ENVI».
Программный модуль для проверки топологии базы данных сейсмического профилирования (SeisExport)
Основные функции программного модуля программы «Seis Export» [15]:
1) Проверка файлов базы данных геофизических наблюдений на топологическую корректность;
2) Создание файлов MIF (MID) для ГИС Maplnfo по всей базе. Формируются отдельно файлы полилиний с атрибутивной информацией по сейсмическому профилю, и точечное покрытие, с атрибутивной информацией по пунктам геофизических наблюдений (пикетам сейсмических профилей);
3) Проверка файлов базы цифровых моделей местности геофизических наблюдений на топологическую корректность.
На рисунке 3.7 приведен интерфейс программного модуля «Seis Export», на рисунке 3.8 приведены результаты работы модуля в геоинформационной системе.
Основные функции программного модуля программы «Seismic Set» [14] - анализ принадлежности файлов базы данных геофизических наблюдений и цифровых моделей местности заданному полигону с любым количеством точек и любой геометрической формы, анализ планово-высотного положения пикетов сейсмических профилей и объектов цифровой модели местности, создание точечного покрытия в форматах ГИС Maplnfo.
Цифровые ортотрансформированные фотопланы, получаемые в результате обработки по предлагаемой методике данных дистанционного зондирования представляют собой трансформированное, масштабированное растровое изображение объектов местности и являются топографической основой для создания и обновления цифровых тематических карт и решения научно-исследовательских задач при поиске и эксплуатации месторождений углеводородов.
Фактически являясь растровой топографической картой соответствующего масштаба и точности, они служат объективной основой для проектирования геолого-геофизических работ, выполнения экологических мероприятий, согласования и отвода земельных участков под строительство объектов инфраструктуры месторождений и скважин. Их использование позволяет частично или полностью исключить полевые геодезические работы.
Цифровые ортофотопланы позволяют проверить достоверность планово-высотного положения пунктов геофизических наблюдений, получать координаты опознанных на растровом изображении объектов с помощью инструментария любой геоинформационной системы с требуемой точностью. Матрица высот или цифровая модель рельефа местности - полностью обеспечивает однозначное ориентирование объектов в трехмерном пространстве, и при совместном использовании с цифровыми ортофотопланами, обеспечивает решение различных прикладных задач, связанных с проектированием и производством комплексных геолого-геофизических работ. Цифровая модель рельефа позволяет средствами геоинформационных систем оперативно определять продольные и поперечные профили линейных объектов, абсолютные высоты точек растрового изображения ДДЗ, определять площади полигонов с учетом рельефа, создавать динамические трехмерные модели местности. На рисунке 3.11 приведен фрагмент динамической трехмерной модели Богучан-ского водохранилища, созданная по разработанной методике.
Обновленная по разработанной технологии трансформирования материалов дистанционного зондирования цифровая модель местности, или векторное представление объектов дешифрируемых на ортоизображении, в аспекте геоинформационной системы, как правило, представляется тремя типами объектов - площадными, линейными и точечными, и является метрической основой для создания цифровых топографических и тематических карт и планов соответствующих масштабов, создания цифровых геопространственных баз данных различного назначения.
Разработанная автором методика геометрической коррекции данных ДЗЗ - материалов аэрофотосъемки и сканерной космической съемки среднего (Landsat 7) и высокого разрешения (QuickBird), на основе цифровых моделей местности (ЦММ) и базы данных пунктов геофизических наблюдений (ПГН) базируется на созданных программных модулях для геометрической коррекции материалов дистанционного зондирования.
