Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния методов и технологий геометрических преобразований космических изображений от оптико-электронных съемочных систем 12
1.1 Общая схема съемки и задачи геометрической коррекции оптико-электронных изображений земной поверхности . 12
1.2 Анализ моделей и технологий координатной обработки космических изображений 21
1.3 Предложения по созданию систем и технологий геометрической обработки данных ДЗЗ высокого пространственного разрешения 36
Основные результаты 40
2 Модели формирования и геолривязки снимков высокого пространственного разрешения 42
2.1 Прецизионная модель съемки земной поверхности 42
2.2 Структурное восстановление изображения 57
2.3 Метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы 63
2.4 Методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы 70
Основные результаты 76
3 Методы и алгоритмы геометрической обработки спутниковой информации 78
3.1 Методика оценки точности геометрической обработки по орбитальным параметрам 78
3.2 Метод ортотрансформирования космических изображений с использованием локальной модели рельефа 82
3.3 Обработка блока оптико-электронных космических изображений 88
Основные результаты 93
Реализация систем и технологий высокоточных геометрических преобразований космических изображений 95
4.1 Фильтрация грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик 95
4.2 Проектирование программного обеспечения систем геометрической обработки видеоданных 106
4.3 Результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности технологий обработки изображений 115
Основные результаты 134
Заключение 136
Слисок использованных источников 141
- Общая схема съемки и задачи геометрической коррекции оптико-электронных изображений земной поверхности
- Метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы
- Методика оценки точности геометрической обработки по орбитальным параметрам
- Фильтрация грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик
Введение к работе
Актуальность работы. До недавнего времени съемка земной поверхности с высоким пространственным разрешением (1 м и менее) выполнялась с помощью фотографических спутников, а получаемая информация использовалась, главным образом, для решения задач специального визуального наблюдения. Поэтому основным назначением, как самих съемочных систем, так и технологий обработки было получение изображения, обладающего высокими фотометрическими характеристиками. Фотограмметрические задачи, связанные с устранением геометрических искажений изображений, как правило, решались с использованием обобщенных моделей съемочной системы (кадровой, щелевой или панорамной) и большого количества опорных данных о местности, представленных в виде опорных точек и цифровых моделей рельефа. Космические снимки использовались для картографирования территорий, имеющих полное топогеодезическое обеспечение [1-3].
В настоящее время получают интенсивное развитие оптико-электронные космические системы мониторинга земной поверхности, основанные на новых принципах регистрации и передачи информации дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [4, 5]. NASA (США) и Европейское космическое агентство прилагают беспрецедентные усилия по созданию группы искусственных спутников Земли, которая обеспечивала бы получение оперативной и высокоточной информации о земной поверхности. К их числу, в первую очередь, можно отнести ИСЗ с системами высокого пространственного разрешения - Ikonos, ObrView, QuickBird, Spot-5 [6-9].
Появление российских космических аппаратов (КА) с оптико-электронными системами высокого пространственного разрешения («Аркон», «Ресурс-ДК», «Монитор-Э»), оснащенных высокоточными системами навигации, выдвигает новые требования к методам обработки материалов ДЗЗ [10,
11]. В отличие от технологий обработки космической информации среднего и
низкого разрешения 30 - 1000 м), получаемой от КА «Ресурс-01», «Метеор-ЗМ», «Океан-О», NOAA и предназначенной для обновления карт масштабов 1:200000 -1:1000000, необходимо учитывать специфические особенности формирования видеоданных и более точно определять пространственные координаты элементов изображения с целью картографирования территорий в масштабе не менее 1:10000 [12-15].
В работе дается решение важной научно-технической проблемы, связанной с разработкой прецизионных методов и полнофункциональных технологий геометрической обработки изображений от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения. Работа направлена на повышение эффективности использования систем ДЗЗ и удовлетворение постоянно растущих требований потребителей по оперативности и точности результатов обработки.
Степень разработанности темы. Вопросам геометрических преобразований данных дистанционного зондирования Земли посвящены труды таких выдающихся отечественных и зарубежных ученых как Лобанов А.Н, Урма-ев М.С., Агапов СВ., Журкин И.Г., Злобин В.К., Тюфлин Ю.С., Погорелов В.В., Киенко Ю.П., Huang Т., Jordan L., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld А. Наряду с ними большой опосредованный вклад в теорию геометрических преобразований космических изображений сделали разработчики теории орбитального движения КА - Тихонравов М.К., Яцунский И.М., теории фигуры и гравитационного поля Земли — Молоденский СМ., Грушинский Н.П., методов математической картографии — Бугаевский Л.М., J.P.Snyder, В основе современных методов обработки космических изображений лежат закономерности, полученные этими выдающимися учеными [2, 16-24].
Однако область знаний, связанная с обработкой космических снимков,
непрерывно развивается. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, системы
ДЗЗ постоянно совершенствуются, и часто для их построения используются
принципиально новые физические основы и конструктивные решения, а, с дру-
vT гой стороны, требования потребителей к точности обработки неуклонно повы-
шаются, То есть возникает необходимость в разработке новых методов и технологий геометрической коррекции изображений, учитывающих особенности построения новых систем ДЗЗ. Достаточно сказать о том, что использование стандартных пакетов обработки аэрокосмических изображений, таких как «Фотоплан», Erdas, ErMapper и др. [26, 27] возможно только при решении узкого круга задач, поскольку в них используются обобщенные модели съемки, не учитывающие многоматричную структуру построения сканирующих устройств. Кроме того, одной из особенностей известных технологий геометрической обработки сканерной информации [14] является недостаточная точность определения координат объектов изображения (5-10 пикселей при размерах пикселя на местности 30-40 м), что ограничивает применение используемых в них моделей для систем высокого пространственного разрешения. Поэтому важной задачей является проектирование высокоточных моделей геометриче-ской коррекции, наиболее полно учитывающих весь спектр искажающих фак-торов, реализующих структурное восстановление изображений, и обеспечивающих погрешность геопривязки видеоданных не хуже одного метра.
Практически отсутствуют публикации по вопросам разработки методик априорной и апостериорной оценки геометрической точности видеоинформации [28, 29], а также методов калибровки сканирующих устройств по результатам съемки тестовых полигонов.
Недостаточно исследованными являются задачи, связанные с трансформированием сканерных изображений по цифровым моделям рельефа и высокоточным геодезическим ориентированием маршрутов съемки при ограниченном числе опорных данных. В этом отношении оперативное решение вопросов координатного обеспечения наблюдаемых объектов и картографирование боль-
ших площадей, имеющих слабое топогеодезическое обеспечение, являются ис-
#' ключительно актуальными задачами.
Целью диссертации является разработка методов и технологий геометрических преобразований космических изображений, получаемых отечественными оптико-электронными системами ДЗЗ высокого разрешения, и создание на их основе для приемных центров полнофункционального программного обеспечения, способного решать задачи мелкомасштабного и крупномасштабного картографирования земной поверхности.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие
* основные задачи:
обоснование направлений создания прецизионных технологий обработки спутниковых изображений высокого пространственного разрешения;
проектирование высокоточных моделей, описывающих процесс формирования и геопривязки изображений от многоматричных сканерных систем;
разработка методов трансформирования и ортотрансформирования одиночных и перекрывающихся снимков, а также оценки точности результатов
обработки;
- реализация полнофункциональных технологий в программном обеспе
чении геометрической обработки видеоинформации от существующих и вновь
проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые дается систематизированное решение крупной научной задачи, связанной с созданием математических и методологических средств высокоточной обработки видеоинформации от спутниковых систем нового принципа построения. Это предопределяется тремя главными обстоятельствами. Во-первых, применением всей совокупности данных, получаемых об угловом и линейном движении КА, систем навигации и астроориентации, наземных и летных калибровочных испыта-
ний съемочной аппаратуры, для построения высокоточных моделей координат-
ной привязки изображений. Во-вторых, комплексным использованием орбитальных параметров, опорной информации и цифровых матриц рельефа при геометрических преобразованиях как одиночных изображений, так и совместной обработке блока перекрывающихся снимков. В-третьих, использованием данных о точностных характеристиках систем КА для получения достоверных априорных и апостериорных геометрических параметров изображений. На защиту выносятся следующие новые научные результаты:
1. Геометрические модели формирования и геопривязки сканерных изо
бражений высокого пространственного разрешения, включающие:
высокоточную модель съемки и геопривязки изображений земной поверхности;
модель структурного восстановления изображений по орбитальным данным;
метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы по минимальному количеству опорной информации;
методику уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по тестовым полигонам.
2. Методы и алгоритмы геометрической обработки спутниковой инфор
мации, а именно:
методику априорной оценки точности трансформирования снимков по орбитальным данным;
метод ортотрансформирования с использованием локальной модели рельефа;
алгоритм обработки блока космических изображений.
3. Структурные и алгоритмические решения по проектированию систем
и технологий высокоточных геометрических преобразований космических изо
бражений, в том числе:
алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик;
структурные и информационные модели построения систем обработки;
результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности создаваемых технологий.
Практическая ценность. Работа имеет важное практическое значение, поскольку на основе разработанных методов, моделей, алгоритмов и технологий спроектировано семейство программных систем обработки космических изображений, получаемых с КА «Аркон» («OrthoScan»), «Монитор-Э» («Norm-Scan»), «Ресурс-ДК» («OrthoNormScan»). Эти системы эксплуатируются в Федеральном центре Роскосмоса в г. Москве, Координационно-аналитическом центре ГКНПЦ им. М.В.Хруничева и войсковой части 54023.
По результатам использования программных систем, при выполнении работ по высокоточной обработке материалов ДЗЗ получены следующие оценки эффективности их применения: до 70 % сокращаются затраты на выполнение дорогих полевых работ, связанных с получением опорных данных о местности, и до 90 % сокращается трудоемкость выполнения операций привязки изображений к картографической основе.
Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением альтернативных подходов по обработке материалов ДЗЗ с использованием системы «OrthoScan» с одной стороны и программных комплексов «Фотоплан» и «Erdas» с другой, а также положительными результатами приемо-сдаточных испытаний и опытной эксплуатации созданных систем при обработке данных КА «Аркон».
Реализация и внедрение. Диссертационная работа включает в себя исследования, выполненные в рамках государственного контракта с Российским федеральным космическим агентством № 756-5505.99, ОКР № 25/ЦКТ,
ОКР № 134/03, ОКР № 4-00 и ОКР № 20-03.
Результаты диссертационной работы в виде математического и программного обеспечения внедрены в Научном центре оперативного мониторинга Земли, ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, войсковой части 54023, что подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении.
Апробация работы. Результаты исследований, составляющие основное содержание диссертации, докладывались на 4-х международных и 3-х всероссийских конференциях и семинарах:
3-й и 4-ой междунар. н.-тех. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 2000г., 2003г.), IX всероссийск. н.-тех. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2004 г.), II всероссийск. н.-тех. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004 г.), междунар. молодежи, н.-тех. конф. «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2004 г.), 13-й междунар. н-тех. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004 г.), второй военно-науч. конф. космических войск (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 5 статей, 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях и семинарах.
Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:
в работах [55,56,67,69,74] автору принадлежат идеи по построению прецизионных технологий геометрической коррекции видеоинформации от спутниковых систем высокого пространственного разрешения;
в работе [31] автором разработана модель структурного восстановления видеоинформации с использованием данных об орбитальном движении;
в работах [37, 54] соискателем предложен алгоритм использования линейных объектов местности в качестве опорной информации и методика
фильтрации ошибок измерений на основе порядковых статистик;
iw - в работе [79] автором разработана методика оценки точности геомет-
рической обработки изображений на основе метода статистических испытаний (метод Монте-Карло);
в работе [68] автором предложена методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по снимкам земной поверхности;
работы [51,66,72,78] выполнены без соавторов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 153 с, в том числе: основное содержание — 140 с, 34 рисунка, 15 таблиц, список литературы на 9 с. (79 наименований), приложение - 4 с.
*
Общая схема съемки и задачи геометрической коррекции оптико-электронных изображений земной поверхности
В диссертационной работе подробно рассматривается первая часть задачи, а именно - расчет начальных параметров структурного восстановления, которая в наименьшей степени разработана и освещена в научно-технической литературе.
Геодезическая привязка космических изображений и их трансформирование в картографическую проекцию по орбитальным данным связаны с устранением геометрических искажений, возникающих в процессе съемки и синтезом нового изображения D = [d(x,y)], х = \,Х, y = l,Y, пригодного для использования в качестве измерительного документа. Геометрические преобразования выполняются на основе математических соотношений х = х(т,п), y = F (т,и), устанавливающих координатное соответствие между пикселами преобразованного и исходного изображений [19], Решение данной задачи является однотипным и сводится, в основном, к определению функций х у методом прямой фотограмметрической засечки, как правило, с использованием средней высоты местности. Проблема состоит в том, чтобы построить высокоточную модель геометрической обработки, позволяющую исключить влияние ряда факторов, приводящих к появлению на изображении постоянных и систематических ошибок. 1.1.6 Поскольку потребителей спутниковой информации интересуют измерительные характеристики предоставленных им изображений, то остро стоит задача оценки геометрических характеристик как исходных видеоматериалов, так и результатов их обработки. В литературе [28] рассматриваются подходы по учету искажений, вносимых картографическим проектированием и оцениваемых в виде погрешностей измерений длин, площадей и углов. Однако этот способ мало пригоден для оценки априорных и апостериорных характеристик видеоинформации, поскольку не позволяет оценить уровень систематических и случайных составляющих геометрических погрешностей, а также описать степень искажения исходной видеоинформации. По этим причинам задача разработки методики оценки геометрических характеристик изображений без их привязки к картографическим данным является актуальной и подробно рассматривается в диссертационной работе. 1.1.7 Геодезическое ориентирование одиночных изображений выполняется с целью более точного определения параметров соответствия координат точек изображения и местности без учета рельефа местности. Традиционно задача решается по большому числу опорных точек местности, получение которых представляет трудоемкий и дорогостоящий процесс. При обработке оптико-электронных снимков число опорных точек может быть существенно сокращено за счет использования точной модели и использования данных об орбитальном и угловом движении КА. Эта задача так же подробно рассматривается в диссертационной работе. 1.1.8 Ортотрансформирование изображений (точное преобразование в заданную картографическую проекцию) выполняется по одиночному изображению с использованием ЦМР. Проблемы ортотрансформирования оптико-электронных изображений объединяют вопросы построения точной геометрической модели, точного и рационального геодезического ориентирования изображений. 1.1.9 Построение блочной триангуляции выполняется методом совместного геодезического ориентирования перекрывающихся изображений, повыша ет точность создания ортоплана и уменьшает необходимое число опорных точек для его создания. Традиционное построение блочной триангуляции требует больших ресурсов, и не позволяет уравнивать изображения, полученные различными съемочными системами. Для картографирования значительных территорий по изображениям, получаемым от различных оптико-электронных систем, необходимы новые подходы к построению блочной триангуляции, которые рассматриваются в диссертационной работе. 1.1.10 Калибровка съемочной системы выполняется после выведения КА на орбиту. В результате калибровки уточняются параметры внутреннего ориентирования съемочного устройства (фокусное расстояние, координаты главной точки, параметры дисторсии съемочной системы), определенные в результате наземной калибровки. Необходимость уточнения обуславливается динамическими и температурными деформациями съемочной системы в процессе выведения КА. Для динамических съемочных систем, к которым относятся оптико-электронные системы, использование классических методов калибровки не представляется возможным. Поэтому данная задача подробно рассматривается в диссертационной работе. Рассмотрим далее известные модели и технологии обработки космических изображений и возможность их применения для решения перечисленных задач. Предметом анализа будут исследования и работы, посвященные геометрическим преобразованиям изображений, получаемых оптико-электронными системами, по следующим направлениям: - геометрические модели сканерных систем; - методы определения параметров соответствия координат точек изображения и местности, а также методы априорной и апостериорной оценки точности геометрических преобразований; - методы обработки блока перекрывающихся изображений; - программные системы и технологии геометрической обработки ска-нерных изображений. 1.2.1 Что касается публикаций по разработке моделей геометрической обработки сканерных снимков, то в результате анализа этого материала был выявлен ряд узких мест, позволивших определить направления дальнейших исследований. Вопросам разработки моделей координатной обработки космических изображений посвящено достаточно много работ отечественных и зарубежных " ученых. Среди них выделяются работы таких отечественных авторов, как Ага пов С.В.[18], Журкин И.Г. [32, 33], Злобин В.К. [34, 35, 36], Погорелов В.В. [37, 38], Тюфлин Ю.С. [24], Урмаев М.С.[23], Хижниченко В.И. [28, 39] и др. В части публикаций рассматриваются варианты построения упрощенных моделей, в которых игнорируются действия ряда искажающих факторов, как, например, ориентация КА и построителя местной вертикали, эллипсоидаль Щ ность и вращение Земли и др. [15, 40-42]. В других работах модели тесно связа ны с конкретными типами съемочных устройств и картографических проекций [9, 19, 39, 43]. В третьих - разрабатываются унифицированные модели геометрической обработки видеоинформации, инвариантные к типам сканирующих датчиков и картографических проекций.
Метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы
Для динамических съемочных систем, к которым относятся оптико-электронные системы, использование классических методов калибровки параметров внутреннего ориентирования не представляется возможным, поскольку к ошибкам съемочной системы подмешиваются ошибки параметров линейного и углового движения, временной привязки и другие. Но, поскольку влияние этих ошибок носит систематический характер, то оно может быть определено и исключено путем статистической обработки.
Рассмотрим методику калибровки параметров внутреннего ориентирования, в результате которой уточняются фокусное расстояние, координаты главной точки, параметры дисторсии съемочной системы, определенные по результатам наземной калибровки [68].
Задача калибровки заключается в статистическом определении систематических ошибок параметров съемочной системы при минимизации случайных ошибок. Минимизация случайных ошибок будет достигаться за счет использования «качественных» измерений от систем навигации и астроориентации, точных топогеодезических данных и исключения влияния рельефа местности. В результате наземных испытаний съемочной системы имеем: - положение элементов приборов с зарядовой связью (угловое или линейное) в визирной системе координат и средние квадратические ошибки их определения; - фотограмметрическое фокусное расстояние и его СКО; фотограмметрическую дисторсию и ее СКО; положение проекции задней узловой точки объектива на плоскость установки светочувствительных элементов (положение главной точки) и ее СКО; - конструктивные углы между системой координат астроориентации и визирной системой координат. После запуска КА эти параметры из-за деформаций могут изменяться. Для уточнения их значений в процессе эксплуатации КА должны выполняться геометрические калибровки по наземным полигонам. В качестве полигона калибровки может использоваться район равнинной местности размер, которого превышает полосу съемки, имеющий плотную застройку и точную топогеоде-зическую основу, представленную в виде крупномасштабных топографических карт или точек GPS и цифровых матриц рельефа соответствующего масштаба. Калибровка параметров выполняется путем статистической обработки результатов уточнения параметров ориентирования отдельных сканов по опорным точкам местности. Будем рассматривать уточнение по опорным точкам следующих параметров: - фокусного расстояния; - координат главной точки; конструктивных углов; - суммарной дисторсии. Суммарная дисторсия определяет поправки в координаты ПЗС-элементов за счет искажений объектива (дисторсии) и деформаций фокальной плоскости. В силу большой корреляции этих двух факторов, разделить их влияние не представляется возможным. Использование термина «калибровка» в данном случае не совсем корректно по следующим причинам. В узкоугольных сканирующих системах по опорным точкам элементы ориентирования определяются ненадежно, с большими ошибками. Координаты главной точки и конструктивные углы сильно коррелируют с угловыми элементами ориентирования (УЭВО) и поэтому в явном виде не могут быть уточнены. В свою очередь, координаты главной точки и фокусное расстояние сильно коррелируют с координатами точек фотографирования (КТФ). В явном виде могут уточняться только фокусное расстояние, дисторсия и УЭВО. Для уточнения положения главной точки необходимы точные измерения в процессе съемки УЭВО, КТФ и конструктивных углов. При этом систематическая составляющая ошибки измерения этих параметров войдет в координаты главной точки. Ошибки конструктивных углов и ошибки положения главной точки характеризуют ошибку сведения визирных осей астродатчиков с визирной осью съемочного устройства. Значения этих ошибок, вероятнее всего, в течение определенного периода времени (возможно в течение всего полета КА) практически не будут изменяться. В свою очередь, угловые элементы ориентирования и КТФ имеют и свои систематические составляющие, величина которых изменяется от скана к скану. Последнее обстоятельство и позволяет обработкой нескольких маршрутов (более 5-ти) исключить систематические составляющие угловых элементов ориентирования и КТФ и выделить величину совместных ошибок конструктивных углов и положения главной точки. Разделить ошибки конструктивных углов и ошибки положения главной точки не представляется возможным. По этим причинам мы будем говорить об определении согласующих параметров, объединяющих эти ошибки. В целом процедура калибровки выполняется в два этапа. На первом этапе, выполняется собственно определение параметров, на втором - оценка их достоверности. Первый этап выполняется по множеству изображений полигона калибровки. Второй - по изображениям контрольного полигона отличного от полигона калибровки. Только после завершения второго этапа и получения значений оценок не хуже тех, что были получены до проведения калибровки, принимается решение об использование новых параметров. Особенность калибровки параметров СУ сканерного типа заключается в необходимости обработки достаточно большой выборки изображений (сканов). Чем больше выборка, тем точнее определяются параметры внутреннего ориентирования. Поэтому результаты калибровки накапливаются средствами базы данных и используются при последующих калибровках. Обработка отдельных сканов заключается в выполнении процедуры уточнения параметров внутреннего ориентирования и конструктивных углов по опорным точкам. Для этого измеряют координаты опорных точек на скане и на местности (картах, GPS-точки, ортопланах, и т.д.). С использованием уравнений (2.1) на каждую измеренную точку составляют следующие линеаризованные уравнения погрешностей:
Методика оценки точности геометрической обработки по орбитальным параметрам
Достоинствами разработанной схемы являются: - охват всего перечня задач геометрических преобразований, выполняемых по сканерным изображениям; - реализация «сквозной» технологии обработки изображений от «сырого» изображения до продуктов высокого уровня: ортопланов и цифровых матриц рельефа; - возможность обработки разнотипных изображений в рамках единой технологии с учетом особенностей конкретных съемочных систем и всей совокупности данных; - унификация задач связанных с обработкой одиночных изображений, блока изображений, стереоизображений. В основе ПО обработки космической информации лежат две базовые компоненты, отвечающие за управление (ядро управления) и информационное обеспечение (информационное ядро). Остальные функциональные компоненты входят в систему по правилам, установленным базовыми компонентами. Наиболее эффективным механизмом для организации функциональных компонент с точки зрении интеграции программ, написанных разными разработчиками, на разных языках, являются dll-библиотеки, в описании интерфейсной части которых устанавливаются правила их взаимодействия с управляющим ядром и друг с другом. Опыт разработки программных систем подтвердил эффективность объединения программ, написанных в системах программирования Visual С, Bulder (язык C++) и Delphi (язык Pascal). На базе предложенной схемы спроектировано семейство подсистем: - «OrthoScan» - предназначена для обработки информации от КА «Ар-кон»; - «NormScan» - предназначена для обработки данных КА «Мони-тор-Э»; - «OrthoNormScan» - предназначена для обработки информации от КА «Ресурс-ДК» и др. Заключения о практическом использовании перечисленных подсистем приведены в актах, представленных в приложении. Программное обеспечение, реализующее технологию обработки снимков высокого разрешения, выполняет следующие основные операции: а) ввод, обработку и анализ служебной информации; б) ввод изображений маршрутов съемки, их визуализацию и анализ в) структурное восстановление изображений маршрутов; г) привязку изображений маршрутов съемки по орбитальным данным; д) привязку изображений к картографическим данным; е) уточнения параметров ориентирования по минимальному числу опорных данных; ж) ортотрансформирование изображений с использованием цифровых матриц рельефа. Помимо выполнения основных операций в ПО реализованы вспомогательные и сервисные функции, такие как: поддержка графических и гео информационных форматов LAN, BIL,GEOTIFF, TIFF, BMP, ERDAS IMAGINE (IMG) и др; подготовка цифровых матриц рельефа по результатам векторизации горизонталей топографических карт; поддержка систем координат топографических карт; подготовка карт после сканирования (сшивка и геокодирование); анализ результатов ортотрансформирования с использованием картографических данных и многие другие функции. Кроме этого, разработанные в диссертации методы реализованы во вспомогательных экспериментальных комплексах, предназначенных для моделирования космических изображений разрабатываемых систем, изучения их геометрических характеристик и отработки технологий и программного обеспечения обработки изображений. В последующих разделах рассматриваются некоторые, наиболее важные результаты, связанные с обработкой изображений, полученных с КА «Аркон», а также результаты моделирования и априорной оценки информации, которая будет поступать от КА «Монитор-Э», «Ресурс-ДК» и других разрабатываемых К А ДЗЗ. На рисунке 4.2 представлены экранные формы программ, позволяющие выполнить детальный анализ параметров движения КА в процессе съемки и получить данные о геодезических координатах маршрута, рассчитанных по служебной информации. Здесь же имеется возможность подобрать номенклатуру топографических карт для дальнейшей обработки маршрута, а также сравнить запланированное и фактическое положение маршрута, оценить ошибки наведения при выполнении съемки.
Фильтрация грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик
В ходе проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы и математические модели, на основе которых впервые в отечественной практике реализованы полнофункциональные технологии геометрической обработки видеоинформации, получаемой от отечественных оптико-электронных систем ДЗЗ высокого пространственного разрешении. В результате созданы и внедрены в центрах приема и обработки информации ДЗЗ программные системы, способные решать задачи мелкомасштабного и крупномасштабного картографирования земной поверхности. Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем, 1. Выполнен комплексный анализ проблемы точных геометрических преобразований космических изображений. Показано, что используемые в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения методы и модели обработки не могут быть применены для коррекции видеоданных высокого пространственного разрешения, поскольку не обладают необходимой точностью, не учитывают специфику формируемых изображений и не обеспечивают функциональной полноты решаемых задач. Сформулированы направления по созданию высокоточных методов и полнофункциональных технологий обработки изображений от существующих и вновь проектируемых российских систем ДЗЗ высокого разрешения. 2. Разработана прецизионная модель сканер ной съемки земной поверхности, основанная на строгом математическом описании процессов формирования видеоданных в условиях орбитального полета КА и позволяющая рассчитать геоцентрические и картографические координаты каждого пикселя исходного изображения. В отличие от моделей, используемых в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения, полученные соотношения учитывают искажающее действие оптоэлектронного тракта, линейное и угловое движение спутника, измеряемое высокоточными навигационными системами и системами астроориентации, фигуру Земли и ее гравитационное поле, а также среднюю высоту местности и динамическую модель атмосферы. Модель спроектирована в унифицированном виде, используется для всех типов систем ДЗЗ высокого разрешения и лежит в основе технологии обработки изображений по орбитальным данным. 3. Получена математическая модель геометрического восстановления непрерывного изображения из отдельных перекрывающихся фрагментов, формируемых многоматричными сканирующими датчиками. Модель описывает топологию построения оптико-электронной съемочной системы высокого пространственного разрешения и позволяет рассчитать параметры взаимного перекрытия фрагментов на основе аппроксимации уравнений геопривязки видеоданных от каждой ПЗС-матрицы. 4. Предложен метод дифференциального уточнения орбитального и углового движения съемочной системы, в котором за счет использования полной модели съемки, измерений от систем навигации и астроориентации, а также данных об их точностях удается уменьшить число используемых опорных точек до четырех. Метод позволяет реализовать технологию высокоточного спутникового картографирования территорий, имеющих ограничения по топогеоде-зическому обеспечению. Экспериментально подтверждена возможность обработки протяженных маршрутов съемки (порядка 100 км) по минимальному количеству опорных точек с сохранением точности по всему маршруту. 5. Предложен алгоритм использования линейных объектов, наблюдаемых на обрабатываемой сцене, в качестве опорных данных, согласно которому опорное направление, рассчитываемое по линейному объекту, представляется корреляционной матрицей, используемой в задаче уточнения параметров внешнего ориентирования съемочной системы, аналогично тому, как это осу 137 ществляется при применении опорных точек. Выполнено экспериментальное подтверждение эффективности использования линейных объектов местности в качестве дополнительных измерений, получаемых при привязке к картографическим материалам. Показано, что измерения двух взаимно перпендикулярных опорных направлений эквивалентно измерению опорной точки, и что опорное направление в зависимости от его ориентации может превосходить по информативности опорную точку при уточнении углов внешнего ориентирования. 6. Разработана методика уточнения параметров внутреннего ориентиро вания съемочной системы, позволяющая повысить точность геопривязки ви деоданных за счет компенсации искажающих факторов, связанных с деформа цией оптической системы и фокальной плоскости, и основанная на статистиче ской обработке контрольных измерений, получаемых при съемке опорных по лигонов, и отделении систематических ошибок от случайных. Экспериментально подтверждена возможность уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по снимкам земной поверхности при наличии точных данных об угловом положении и движении К А и точных топографических карт на снимаемую территорию. 7. Предложена единая методика для оценки априорных и апостериорных геометрических характеристик исходных и обработанных по орбитальным па раметрам изображений, основанная на методе статистических испытаний Мон те-Карло и позволяющая оценить как адекватность моделей обработки, так и корректность их программной реализации. Методика базируется на принятых в международной практике критериях оценки геометрического качества сканер ной информации и позволяет оценить систематическую (точность геопривязки) и случайную (точность взаимного положения контуров) составляющие ошибки определения координат пикселей изображения.
