Введение к работе
Актуальность работы
Видеоданные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), получаемые с космических аппаратов (КА), уже на протяжении нескольких десятков лет с успехом применяются в решении научных, хозяйственных и прикладных задач. Наблюдающаяся в последнее время устойчивая тенденция роста объема видеоинформации ДЗЗ и необходимость оперативного использования большой ее части требуют , разработки и реализации эффективных методов автоматизированной и автоматической обработки.
Космическую съемку одних и тех же участков земной поверхности проводят в разное время, разными съемочными системами, с разных КА, в различных спектральных зонах и с разным пространственным разрешением. В то же время эффективность исследования большинства характеристик земной поверхности и происходящих на ней процессов может быть достигнута только при совместной обработке большей части всех вышеперечисленных видеоданных. Такая совместная обработка разных изображений одного и того же участка земной поверхности требует их координатного совмещения с субпиксельной точностью.
Совмещение видеоданных ДЗЗ направлено на установление взаимно однозначного соответствия между соответствующими одним и тем же участкам земной поверхности пикселами одного изображения, обычно называемого совмещаемым, и пикселами другого изображения, обычно называемого/эпорным или базовым. Другими словами, совмещение изображений - это процесс трансформирования совмещаемого изображения таким образом, чтобы одни и те же пространственные структуры на нем и на базовом изображении имели одинаковые координаты в используемой системе координат (например, в системе координат базового изображения). Кроме того, проблему совмещения различных получаемых из космоса изображений земной поверхности можно рассматривать как задачу координатной привязки совмещаемого изображения к базовому.
Традиционно применяемое на практике ручное совмещение изображений является очень трудоемким процессом, требующим привлечения большого количества операторов, существенно увеличивая общие финансовые затраты на обработку данных ДЗЗ. Автоматизация процесса совмещения является весьма актуальной задачей, особенно в условиях жестких временных ограничений, накладываемых при
оперативном использовании видеоданных, и высокой требуемой точности их совмещения, недостижимой при ручной обработке.
Проблема совмещения изображений традиционно привлекает к себе внимание многих исследователей во всем мире. За последнее десятилетие опубликовано более тысячи печатных работ, посвященных разработке автоматизированных методов совмещения, но универсальнее решение задачи не было найдено.
Предмет исследования
Предметом исследования в диссертационной работе является проблема совмещения изображений, получаемых при ДЗЗ.
Научная новизна
Научная новизна работы определяется основными результатами проведенных исследований:
Разработан метод и реализующий его алгоритм совмещения с субпиксельной точностью разновременных и разноканальных данных ДЗЗ.
Предложен метод выбора сети опорных точек (ОТ), обеспечивающий их однородное распределение по площади изображения. Разработан метод расчета ожидаемого положения ОТ с учетом локальных свойств изображений.
Разработан двухступенчатый метод идентификации и уточнения положения ОТ на основе метода наименьших квадратов (МНК), обеспечивающий субпиксельную точность совмещения изображений.
Предложен комбинированный многоступенчатый метод верификации ОТ с использованием остаточных ошибок и сравнения текстурных признаков фрагментов изображений с помощью преобразования Уолша.
Практическая значимость
Разработанный в диссертационной работе метод и программно-алгоритмическое обеспечение позволяют решать с использованием разновременных космических снимков задачу мониторинга динамических процессов и явлений, происходящих на земной поверхности. Метод разработан в обеспечение проекта Европейского космического агентства (ЕКА) FUEGO/FFEW (работа WP-3350 "FFEWAL Исследование точной координатной привязки") и принят для мониторинга
лесных пожаров по изображениям, которые планируется получать со спутника FUEGO/FFEW.
Разработанное программное обеспечение с 2000 года используется для оперативной автоматизированной обработки данных ДЗЗ в Лаборатории дистанционного зондирования университета Вальядо-лида (LATUV, Испания) и в нескольких других научных центрах, проводящих работы в рамках различных проектов ЕКА.
В рамках сотрудничества ИКИ РАН и Немецкого аэрокосмического центра (DLR) автором диссертационной работы на основе предложенного метода совмещения изображений разработана методика для прецизионной межканальной геометрической калибровки аппаратуры ДЗЗ, установленной на борту КА BIRD.
В настоящее время результаты исследования используются при разработке программно-алгоритмического обеспечения геометрической коррекции изображений, получаемых создаваемой в Оптико-физическом отделе ИКИ РАН цифровой аэросъемочной камерой.
Основные положения, выносимые на защиту
Общий алгоритм совмещения разновременных и разноканальных данных ДЗЗ.
Метод выбора сети ОТ, обеспечивающий их однородное распределение на изображениях.
Метод расчета ожидаемого положения ОТ с учетом локальных свойств изображений.
Метод идентификации ОТ на основе МНК.
Метод субпиксельного уточнения положения ОТ на основе МНК.
Комбинированный многоступенчатый метод верификации ОТ с использованием остаточных ошибок и сравнения с помощью преобразования Уолша текстур фрагментов изображений.
Методика выбора параметров алгоритма совмещения, обеспечивающих заданную точность и минимальные вычислительные затраты.
Методика прецизионного определения межканальных сдвигов в изображениях, получаемых многоканальными съемочными системами.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на четырех рабочих встречах разработчиков в рамках
проекта Европейского космического агентства FUEGO/FFEW, включены в отчет по проекту*, были представлены на 21-м ежегодном симпозиуме EARSeL "Observing our Environment from Space: New Solutions for a New Millennium" (Париж, Франция, 2001 г.), 22-м ежегодном симпозиуме EARSeL (Прага, Чехия, 2002 г.) и международной конференции Teledetection. Medio Ambiente у Cambio Global" (Льеда, Испания, 2001 г.).
По теме диссертационной работы автором опубликовано 13 печатных работ. Из них 5 затрагивают вопросы обработки изображений, разработки космических систем ДЗЗ и обработки результатов ДЗЗ [1,2,5,6,13], 5 посвящены разработке методов и алгоритмов географической координатнбй привязки данных ДЗЗ и совмещения изображений [3,4,7-9]. В 3 работах [10-12] приведены результаты, полученные при выполнении диссертационной работы.
Структура и объем работы
