1.Цель исследования

В компании "Ракурс" по заказу ЗАО "НПК "ГЕО" были проведены работы по определению точностных характеристик снимков QuickBird. Целью работы являлось определение точности ортоизображений, получаемых по снимкам QuickBird при трансформировании их с использованием матриц высот различной точности, исследование точностных характеристик снимков уровня Standard, сравнительный анализ полученных результатов и разработка технологии получения ортофотопланов максимальной точности.

2.Краткий обзор снимков QuickBird

Компания DigitalGlobe поставляет снимки следующих уровней обработки [2]:

Таблица 1.

Коррекция Тип продукта (уровень предварительной обработки) Basic Standard Ortho Ready Standard Orthorectified Радиометрическая Да Да Да Да Калибровочная (приведение к модельной геометрии сенсора) Да Да Да Да Геометрическая (трансформирование на поверхность Земли) Нет Да Да Да Использование цифровой модели рельефа (ЦМР) Нет Приближенная Нет Точная Использование опорных точек Нет Нет Нет Да

В качестве приближенной цифровой модели рельефа (ЦМР) используется модель GTOPO30 с размером ячейки 900 м, доступная для всей поверхности Земли.

Геометрическая коррекция продуктов Ortho Ready Standard заключается в трансформировании исходных снимков на поверхность постоянной высоты (средней высоты съёмочного участка) над эллипсоидом, причем средняя высота вычисляется по приближенной модели рельефа.

Некоторые продукты уровня Orthorectified поставляются только на территорию США и Канады; для любого района Земли возможен заказ продуктов Ortho 1:50 000 и Ortho 1:5 000, однако этот заказ будет отвергнут, если компания DigitalGlobe не располагает ЦМР и опорными точками, необходимыми для получения ортоизображений соответствующей точности. В последнем случае, а также при отличающихся требованиях к точности ортофотоплана, можно заказать продукт Custom Ortho, точность которого определяется характеристиками ЦМР и каталога опорных точек, которые должны быть предоставлены заказчиком.

Снимки уровня Basic поставляются только в виде целых сцен, а остальные продукты QuickBird - полигонами площадью от 25 кв. км архивные и от 64 кв. км при заказе новой съёмки.

Как видно из таблицы 1, в снимки уровня Standard уже внесены поправки за рельеф по приближенной матрице высот, поэтому их вторичное трансформирование будет некорректным. В качестве исходных данных для получения ортоизображений предназначены снимки уровня Basic и Standard Ortho Ready.

Для проведения эксперимента использовались: снимок уровня предварительной обработки Ortho Ready Standard, ЦМР с точностью 0.15 м по высоте, полученная по материалам аэрофотосъёмки, а также, для проведения сравнительного анализа, матрица высот, построенная по горизонталям карты масштаба 1:25 000 с сечением рельефа 2.5 м и снимок QuickBird уровня предварительной обработки Standard. Разрешение (приведенное) обоих снимков 0.6 м. Все работы производились в цифровой фотограмметрической системе PHOTOMOD.

В комплект поставки снимков QuickBird включается файл с коэффициентами полиномов рациональных функций (Rational Polynomial Coefficients, RPC; иногда эту аббревиатуру расшифровывают также как Rapid Positioning Capability), аппроксимирующих зависимость пиксельных координат изображения точки местности от ее геодезических координат. При наличии в комплекте поставки файлов c расширениями TIL, RPB и собственно растров — файлов с расширением TIF, PHOTOMOD автоматически распознаёт снимок как продукт QuickBird, после чего происходит загрузка всех необходимых параметров в проект обработки.

3.Проведение исследований

Всего на район работ имелось 35 опорных точек. Для большей достоверности количество контрольных точек превосходило количество опорных в 2.5 раза. На первом этапе проводилось внешнее ориентирование снимка. В результате были получены следующие результаты: среднеквадратическая ошибка (СКО) по расхождениям на опорных точках 0.392 м, максимальная - 0.638 м, по контрольным точкам 0.526 м и 0.933 м соответственно. Отсюда можно сделать вывод, что координаты опорных точек были определены с точностью лучше 1 пикселя, а аппроксимирующая модель на основе RPC точно отображает условия съёмки.

Для получения ортофотоплана максимальной достижимой (по имеющимся входным данным) точности использовался снимок уровня обработки Ortho Ready Standard, матрица высот с точностью 0.15 м и опорные точки, определенные с точностью 0.15 м. Матрица высот очень подробная, описывающая не только формы рельефа, но и искусственные объекты: мосты, эстакады, насыпи. Размер ячейки матрицы высот 9,6 м.

Максимальная ошибка построения ортофотоплана составила 1.089 м по контрольным точкам и 0.836 м по опорным, а СКО по контрольным точкам - 0.607 м. Учитывая, что СКО на контрольных точках при внешнем ориентировании составила 0.526 м, можно считать, что СКО планового положения точек на построенном ортофотоплане 0.607 м обусловлена, в основном, точностью начального опознавания точек и внешнего ориентирования. Столь подробная матрица высот позволяет достичь практически максимальной возможной точности трансформирования изображения с таким разрешением.

При построении ортофотоплана по матрице высот, построенной по горизонталям карты масштаба 1:25 000, использовались те же самые опорные и контрольные точки. Матрица высот также с размером ячейки 9.6 м. Максимальная ошибка ортофотоплана составила 1.189 м по опорным точкам и 2.231 м по контрольным.

Наиболее точным из продуктов, который предлагает компания DigitalGlobe для любой территории мира без предоставления заказчиком дополнительных данных (опорных точек и ЦМР), является Standard. Его заявленная точность по критерию СЕ90 составляет 23 м (СКО планового положения точек 14 м). Для проведения анализа точностных характеристик снимков этого уровня обработки, на снимке Standard были опознаны те же точки, что и на снимке Ortho Ready Standard (где они использовались в качестве опорных и контрольных). Далее координаты этих точек, определенные по геокодированному изображению Standard, сравнивались с их известными координатами, пересчитанными из исходной системы координат в WGS 84/UTM с помощью программы Геодезический Калькулятор, входящей в комплект поставки PHOTOMOD.

Вычисление разности плановых наземных координат ΔX и ΔY, определенных по снимку Standard, и полученных в результате пересчета известных координат в WGS84/UTM, дало следующие результаты:

Min ΔX = -8.564 м	Min ΔY = +3.769 м
Max ΔX = -13.360 м	Max ΔY = +8.406 м
Среднее ΔX = -11.058 м	Среднее ΔY = +6.415 м

Очевидно, что в координатах, снятых со снимка, присутствует систематическая ошибка. Приняв систематическую составляющую равной средним значениям ΔX и ΔY, и исключив её как систематическую ошибку, получаем:

Min ΔX = -2.302 м	Min ΔY = -2.646 м
Max ΔX = +2.309 м	Max ΔY = +1.991 м
СКО X = 1.390 м	СКО Y = 1.050 м
СКО XY =1.74 м, Max ΔXY = 2.94 м

4.Соответствие полученных продуктов требованиям, предъявляемым к ортофотопланам

Основываясь на вышеизложенном, можно сделать следующие выводы: используя цифровую фотограмметрическую систему PHOTOMOD, по снимку QuickBird уровня Standard Ortho Ready, матрице высот точности 0.15 м и опорным точкам, определенным с точностью 0.15 м, получено ортоизображение максимальной достижимой для такого разрешения точности. СКО составляет около 1 пикселя. Ошибки определяются в основном точностью первоначального опознавания опорных точек. Максимальное отклонение в данном случае составило 1.089 м. Согласно пункту 4.9 «Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов» [1], такая точность соответствует цифровому фотоплану масштаба 1:2 000. При использовании матрицы высот, полученной по карте масштаба 1:25 000 с сечением рельефа 2.5 м и тех же опорных точек, максимальное отклонение планового положения точки составило около 2.3 м, что соответствует точности цифрового ортофотоплана масштаба 1:5 000.

Снимки QuickBird уровня Standard, для производства которых компания DigitalGlobe использует приближенную матрицу высот, имеют большую систематическую ошибку. Если её не учитывать, то ошибка в плане может достигать десятков метров (что соответствует точности, заявленной DigitalGlobe), и снимки не могут непосредственно использоваться как основа для крупномасштабного картографирования. При исключении систематической составляющей, точность планового положения может повыситься в несколько раз, и удовлетворять требованиям, предъявляемым к цифровым ортофотопланам масштаба 1:10 000.

Результаты исследований сведены в таблицу 2.

Таблица 2.

Параметр Ортофотоплан По ЦМР точности 0.15 м По матрице высот на основе с карты масштаба 1:25 000 Снимок QuickBird уровня Standard (после удаления систематической ошибки) СКО 0.607 м 1.037 м 1.740 м Максимальное отклонение 1.089 м 2.321 м 2.940 м Удовлетворяет требованиям точности ортофотоплана масштаба: 1:2 000 1:5 000 1:10 000

5.Сравнительный анализ экономической эффективности приобретения снимка QuickBird Orthо 1:5 000 и изготовления ортофотопланов в системе PHOTOMOD

Компания DigitalGlobe предлагает стандартные продукты уровня Orthorectified, по точности соответствующие масштабам 1:50 000, 1:12 000, 1:5 000, 1:4 800. Заказ на эти продукты принимается только в том случае, если DigitalGlobe располагает необходимыми данными (опорными точками и ЦМР) для их получения из исходных снимков. Для территории России это маловероятно, поэтому заказчик будет вынужден остановиться на продукте Custom Ortho и предоставить DigitalGlobe необходимые данные. При этом точность выходного ортоизображения будет определяться характеристиками имеющейся ЦМР и каталога опорных точек. Сравнение экономической эффективности производится на примере продуктов Ortho 1:5 000 и Custom Ortho, стоимость которых одинакова, однако в качестве выходного продукта в данной графе указан ортофотоплан масштаба 1:5 000. Хотя проведенное исследование и доказывает возможность получения ортоизображений более высокой точности, следует обратить внимание на проблематичность получения готовой ЦМР, пригодной для производства ортофотоплана масштаба 1:2 000. Получить доступ к картам масштаба 1:25 000 для топографо-геодезических предприятий и организаций гораздо проще.

В таблице 3 приведены расчеты стоимости покупки готовых ортоизображений (продуктов Ortho 1:5 000 или Custom Ortho) и изготовления ортофотопланов по снимкам Standard Ortho Ready в системе PHOTOMOD. При этом предполагается, что изначально заказчик не располагает системой PHOTOMOD, и проводится анализ её окупаемости.

Для создания ортофотоплана по матрице высот необходимо выполнить следующие укрупнённые процессы: изготовление матрицы высот, получение опорных точек и создание мозаики. Стоимость получения матрицы высот и каталога опорных точек в конечную стоимость выходного продукта не включены, так как они потребуются в обоих случаях и затраты на них будут одинаковыми.

Таблица 3.

Затраты Способ получения ортофотоплана В системе PHOTOMOD по матрице высот с карты 1:25 000 Покупка Ortho 1:5 000 или Custom Ortho Исходные данные 1 кв.км съемки $ 18 $ 34 Снимок (16×16км2) $ 4608 $ 8704 ЦМР Одинаковые Опорные точки Обработка Обработка 1 смена оператора на снимок (примерно $ 50) — Стоимость программного обеспечения PHOTOMOD (для обработки космических данных) $ 2900 — Выходной продукт Итого затраты на 1 снимок площадью 256 кв.км без стоимости ЦМР и опорных точек $ 7558 $ 8704

Таким образом, из приведенной таблицы видно, что при создании ортофотоплана масштаба 1:5 000 собственными силами исполнителя затраты на покупку цифровой фотограмметрической системы PHOTOMOD окупаются уже при обработке всего лишь одного стандартного снимка QuickBird. Чем больше объём работ, выполняемых по снимкам QuickBird, тем выгоднее выполнять эти работы самостоятельно.

Следует отметить, что помимо чисто экономических соображений, существуют и другие доводы в пользу этого подхода. Передача за рубеж матриц высот и опорных точек высокой точности противоречит законодательству об охране государственной тайны. Кроме того, компания DigitalGlobe не поставляет ортоизображения в системах координат, наиболее часто используемых в России.

Литература

1.Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов (издание официальное). ГКИНП (ГНТА)–02–036–02. — М., ЦНИИГАиК. — 2002. — 100с.

2.QuickBird Imagery Products. Product Guide. — Revision 4.5. Release date: 16 March 2005. — Digital Globe.