PPS, 3.3 MБ

VII Международная научно-практическая конференция
«От снимка к карте:
Цифровые фотограмметрические технологии»
Учебный класс
Фотограмметрическая обработка
сканерных космических изображений
Петр Титаров,
инженер-программист
17-20 сентября 2007 г., Несебыр, Болгария
План учебного класса
I. Основы сканерной космической съемки





Формирование снимка сканерными съемочными системами
Режимы получения одиночных снимков
Способы выполнения стереоскопической съёмки
Блоки сканерных снимков
Характеристики сканерных съёмочных систем
II. Фотограмметрия сканерных снимков
 Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической обработки
 Подходы к фотограмметрической обработке сканерных снимков
III. Обзор сканерных съёмочных систем




Системы
Системы
Системы
Системы
с разрешением
с разрешением
с разрешением
с разрешением
1 м и лучше
около 2 м
5м
10-20 м
IV. Выбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработки
V. Особенности обработки сканерных снимков в системе PHOTOMOD
Раздел I
Основы сканерной космической съемки
 Формирование снимка сканерными съемочными системами
 Режимы получения одиночных снимков
 Способы выполнения стереоскопической съёмки
 Блоки сканерных снимков
 Характеристики сканерных съёмочных систем
Формирование снимка сканерными съемочными системами
Строка за строкой
(линейка ПЗС)
Пиксель за пикселем
(сканирующий луч)
Геометрия сканерных снимков существенно отличается от центральной проекции,
поэтому соотношения классической фотограмметрии к ним неприменимы.
Получение одиночных снимков
Синхронный режим построчной съёмки
Ориентация сенсора стабилизирована во время формирования снимка
 позволяет производить съёмку протяженных участков местности
 упрощает геометрию снимка
В синхронном режиме производят съёмку большинство спутников:
 IKONOS
 FORMOSAT-2
 SPOT 1-5
 Terra
 IRS 1C/1D/P5/P6
 ALOS
… и многие другие.
Получение одиночных снимков
Асинхронный режим построчной съёмки
Ориентация сенсора изменяется во время формирования снимка:
 для увеличения экспозиции
 для изменения конфигурации снимаемого участка
В асинхронном режиме часто производят съёмку системы высокого разрешения:
 EROS A
 QuickBird
Способы выполнения стереоскопической съёмки
Стереосъёмка с разных витков
 Необходима возможность поперечного отклонения направления обзора
 Возможна съёмка стереопары двумя однотипными спутниками
С разных витков выполняют стереосъёмку, например, следующие системы:
 SPOT 1-5 (сенсоры HRV, HRVIR, HRG)
 IRS 1C/1D
Способы выполнения стереоскопической съёмки
Стереосъёмка с одного витка перенацеливанием сенсора
 Короткий временной интервал между получением снимков стереопары
 Спутник должен обладать способностью быстрого перенацеливания
С помощью перенацеливания выполняют стереосъёмку, например,
следующие системы:
 IKONOS
 EROS
Способы выполнения стереоскопической съёмки
Стереосъёмка с одного витка двумя сенсорами,
установленными на общей платформе
 SPOT 5/HRS
Cartosat-1
 ALOS
 Terra/ASTER
 Короткий временной интервал между получением снимков стереопары
 Фиксированное отношение базиса съёмки к высоте
 Возможна съёмка протяженных стереомаршрутов с одного витка
Блоки сканерных снимков
Блок одиночных сканерных снимков («моноблок»)
Новая («заказная») съёмка
Отношение базиса съёмки к высоте
(B:H) в
перекрытиях снимков
принимает произвольные значения.
Блок, подобранный из архивных снимков
Блоки сканерных снимков
Блок сканерных стереопар («стереоблок»)
Набор перекрывающихся между собой стереопар
(двойные и четырехкратные перекрытия)
Характеристики сканерных съёмочных систем
Основные геометрические характеристики
Пространственное разрешение
Зависит от:
 размера детекторов
 фокусного расстояния оптической системы
 высоты орбиты носителя
Возможности отклонения направления обзора
Зависят от:
 конструкции сенсора и/или носителя
Ширина полосы обзора
Зависит от:
 фокусного расстояния оптической системы
 размеров детекторов и их числа в линейке
 высоты орбиты носителя
 направления обзора
Пример: система ДЗЗ SPOT/HRV
< угол (ширина)
< поля зрения
Характеристики сканерных съёмочных систем
Основные радиометрические характеристики
Спектральные каналы
Диапазон длин волн регистрируемого излучения для каждого канала
Радиометрическое разрешение
Число уровней квантования сигнала
Производительность съёмочной системы
Зависит от:
 ширины полосы обзора
 параметров орбиты носителя
 возможностей отклонения направления обзора
 режима съёмки (синхронный/асинхронный)
 метода стереоскопической съёмки
 ёмкости бортовых накопителей
 характеристик передающей аппаратуры и приемных станций
Орбиты ИСЗ дистанционного зондирования
Большая полуось a
 определяет высоту носителя
Эксцентриситет e0 (околокруговая орбита)
 обеспечивает постоянство высоты носителя
Наклонение i98 (околополярная гелиосинхронная орбита)
 съёмка бо́льшей части земного шара
 прохождение узлов орбиты в одинаковое местное время
Долгота восходящего узла 
 подвержена прецессии
Аргумент перицентра 
 для круговой орбиты значение несущественно
Вековые изменения за N оборотов:
     N  cos i
1  5  cos 2 i
     N 
2
i  e  a  0
Геосинхронная орбита
 трасса ИСЗ повторяется с некоторым периодом
Орбиты ИСЗ дистанционного зондирования
Гелиосинхронная (солнечносинхронная) орбита
Плоскость
орбиты ИСЗ
Орбита
Земли
Плоскость
орбиты ИСЗ
Орбита
Земли
t
t3

Солнце
Солнце
t2
t

t1
Полярная орбита
Земля
t
Земля
Гелиосинхронная орбита
Раздел II
Фотограмметрия сканерных снимков
 Задачи, решаемые при выполнении фотограмметрической обработки
 Подходы к фотограмметрической обработке сканерных снимков
О р би
та
r1
S1
r2
R1
R2
P1 ( N , N , hN )
P2 ( N , N , hN )
P ( ,  , h )
yN  3 N N N
P4 ( N , N , hN )
xN 
M
G
Земля
S2
Pq ( N , N , hN ) 
3
3
3
i j k
   aijkq N N hN ,
i 0 j 0 k 0
i  j  k 3
q  1,4
Прямая и обратная фотограмметрические засечки
Одиночные
снимки
Опорные точки
Цифровая модель
рельефа
X 
 x   
   g  Y 
 y
Z 
 
Ортоизображение
2D векторы
Стереопары
Цифровая матрица рельефа
3D векторы
Опорные точки
 xleft 


X 

 
 yleft 
Y

f
 
x

right
Z 


 
y 
 right 
Создание
мозаики.
Экспорт
в ГИС,
САПР,
цифровые
карты
Методы (подходы) к фотограмметрической обработке
Методы фотограмметрической обработки сканерных снимков
Строгие
Параметрические
Аппроксимационные
Геометрическое
моделирование
процесса съёмки
Использование априорных
соотношений, параметры
которых определяются по
опорным точкам
Применение обобщенных
соотношений,
которые
аппроксимируют строгую
модель процесса съёмки
О р би
та
r1
S1
r2
R1
M
G
Земля
x
A1 X  A2Y  A3 Z  A4
C1 X  C2Y  C3 Z  1
y
B1 X  B2Y  B3 Z  B4
C1 X  C2Y  C3 Z  1
P1 ( N , N , hN )
P2 ( N , N , hN )
P ( ,  , h )
yN  3 N N N
P4 ( N , N , hN )
xN 
R2
Pq ( N , N , hN ) 
S2
3
3
3
i j k
   aijkq N N hN ,
i 0 j 0 k 0
i  j  k 3
q  1,4
Строгий подход к обработке
Геометрическая модель сенсора (внутреннее ориентирование)
Определяет зависимость единичного направляющего
вектора луча, регистрируемого детектором с номером p,
от этого номера (в системе координат сенсора S):
 
  ( p )

 1
Это аналог элементов внутреннего ориентирования
в классической фотограмметрии.
Двумерная центральная проекция
Табулированная вектор-функция
p
p1
p2


 ( p)

1

2

Модель перемещения сенсора
Полиномиальная модель
X
Y
Z



nX
 A l
i 0
nY
i
i
B
j
C
k

l
k
j 0
nZ
k 0
l j
Уточняемые параметры:
Ai , Bj , Ck
 строится в произвольной декартовой
системе координат (в том числе – в
Гринвичской)
 проста в использовании
Орбитальная модель
Параметры орбиты:
• большая полуось a
• эксцентриситет e
• наклонение i
• долгота восходящего узла 
• аргумент перицентра 
• время прохождения через перицентр 
Уточняемые параметры:
e, i, ,, иногда a
 строится в инерциальной системе
координат
 физически обоснованная модель
 небольшое число параметров
Модель ориентации сенсора
Модель ориентации сенсора определяет
поворот осей системы координат сенсора
относительно системы координат точек
местности
Модель задаётся тремя углами , , ,
полиномиально зависящими от номера
строки l, либо представленными суммой
измеренных в полете значений углов и
полиномиальных поправок:
P(l )  P( (l ), (l ),  (l ))
I
 (l )   изм (l )    i  l i
i 0
J
 (l )   изм (l )   j  l j
j 0
K
 (l )   изм (l )    k  l k
k 0
Решение засечек в рамках строгого подхода
Прямая засечка
 x1 
 
X
 
    y1 
 Y   g 
x2
Z


 
y 
 2
Пересечение соответственных лучей
Обратная засечка
X

 
x
 
   f  Y 
 y
Z
 
Итерационный процесс
Ориентирование снимков
Ориентирование производится
методом связок:
Условие коллинеарности
 
  

r M  S  r  (M  S )  0
 X 
 X 




  

r  P     Y   , M  S   Y 
 Z 
 Z 
 


Три уравнения, из которых
независимы любые два:
Y Z
Z X
X Y
 Z Y
 X Z
 Y X
 0
 0
 0
Универсальный (параметрический) метод
Использование априорных соотношений (вытекающих из
предположений о геометрии съёмки) между координатами
на снимке x, y и на местности X,Y,Z; вычисление значений
входящих в них параметров по опорным точкам.
x 
y 
f ( X , Y , Z , p1 ,..., pn )
g ( X , Y , Z , q1 ,..., qm )
Параллельно-перспективная модель
Direct Linear Transformation (DLT)
A X  A2Y  A3 Z  A4
x 1
B1 X  B2Y  B3 Z  1
x
A1 X  A2Y  A3 Z  A4
C1 X  C2Y  C3 Z  1
y  C1 X  C2Y  C3 Z  1
y
B1 X  B2Y  B3 Z  B4
C1 X  C2Y  C3 Z  1
Аппроксимационный подход
Аппроксимация соотношений,
полученных строгим методом,
некоторой вектор - функцией:
X  F ( x, y , Z )
Y  G ( x, y , Z )
или
x  F ( X ,Y , Z )
y  G( X , Y , Z )
RPC = Rational Polynomial Coefficients = Rapid Positioning Capability
Исходные соотношения:
P1 ( N , N , hN )
3 3 3
i j k
P2 ( N , N , hN ) , где Pq ( N , N , hN )     aijkq N N hN , q  1,4
P ( ,  , h )
i 0 j 0 k 0
yN  3 N N N
i  j  k 3
P4 ( N , N , hN )
xN 
N, N, hN - нормированные координаты точки местности:
(-1 N 1, -1 N 1, -1 hN 1)
N 
  o
s
N 
  o
s
hN 
h  oh
sh
xN, yN - нормированные координаты её изображения на снимке:
(-1 xN 1, -1 yN 1)
x  ox
xN 
sx
yN 
y  oy
sy
Поправки из уравнивания:
x

xD  a0
y

y D  b0
или

xD  a0  a x  xD  a y  y D
y 
y D  b0  bl  xD  bs  y D
x
Решение засечек в алгебраических методах
В результате уравнивания для каждого из снимков известны соотношения:
x i  Fi ( X , Y , Z )
Решение прямой засечки
 x1 
 
X
 
    y1 
 Y   g 
x2
Z


 
y 
 2
yi  Gi ( X , Y , Z )
Решение обратной засечки
X

 
 x
   f  Y 
 y
Z
 
Обобщенное решение переопределенной
системы из 4 уравнений (в общем случае
нелинейных) с 3 неизвестными X, Y, Z:
x1
y1
 F1 ( X , Y , Z )
 G1 ( X , Y , Z )
 0
 0
x2
y2
 F2 ( X , Y , Z )  0
 G2 ( X , Y , Z )  0
По формулам
x i  Fi ( X , Y , Z )
yi  Gi ( X , Y , Z )
Раздел III
Обзор сканерных съёмочных систем
 Системы с разрешением 1 м и лучше
 Системы с разрешением около 2 м
 Системы с разрешением 5 м
 Системы с разрешением 10-20 м
Системы с пространственным разрешением 1 м и лучше
Системы с пространственным разрешением 1 м и лучше
Системы с пространственным разрешением около 2 м
Системы с пространственным разрешением 5 м
Системы с пространственным разрешением 10-20 м
Раздел IV
Выбор продукта ДЗЗ для фотограмметрической обработки
Следует обратить внимание на следующие обстоятельства:
 выполнялась ли геометрическая коррекция снимков
 состав метаданных (наличие в них параметров геометрии снимка)
 возможность заказа фрагментов сцен и полигонов
 формат данных
Геометрическая коррекция снимков
Снимок, подвергавшийся геометрической коррекции, непригоден
для фотограмметрической обработки строгим методом!
Пример:
Продукт дистанционного зондирования (изображение)
Съёмочная система
Без геометрической
коррекции
С геометрической
коррекцией
SPOT, ASTER
1A
1B
KOMPSAT, Landsat
1R
1G
QuickBird
Basic
Standard
OrbView-3
BASIC
GEO
Состав метаданных и формат растра
Стереопара Cartosat-1
Stereo Ortho Kit
Basic stereo
Растр в формате TIFF и RPC
Формат Super Structured,
обработка универсальными методами
Раздел V
Особенности обработки сканерных снимков в системе PHOTOMOD
Обработка данных с различных сенсоров в PHOTOMOD
Соответствие файлов изображений и RPC
Набор файлов продукта QuickBird Basic
Связь файлов изображения и RPC
продукта IKONOS Geo Ortho Kit
Тайловая структура изображений QuickBird Standard
Снимки QuickBird уровней Standard и
Standard Ortho Ready поставляются
в виде набора фрагментов (тайлов).
RPC относятся к скомпонованному
изображению!
Совместная обработка снимков разных сенсоров
Возможные кандидаты на совместную обработку:
SPOT-5 Supermode (2.5 m)
FORMOSAT 2 PAN (2 m)
…а также IKONOS + OrbView-3 + Kompsat-2 (разрешение 1 м) и т.д.
Спасибо за внимание!