Васил Василев, Стефана Попова
РЕСАК
Продължение от миналия брой
Методи
Използван софтуер
В случай че FORMOSAT-2 бъде приет за резервен сензор за мониторинг на селскостопанските субсидии, то той ще изисква действаща рутинна технология за създаване на ортоизображения. Едни от първите софтуерни продукти, получили международно признание сред специалистите по дистанционни изследвания, и разработили модели за геометрична корекция за изображения, получени от FORMOSAT-2 сензори, са PCI Geomatica10 и ERDAS Imagine 9.1. Имайки предвид главната цел на това изследване да се определи как точността в положението на орторектифицирания продукт от FORMOSAT-2 се влияе от качеството на източниците за генериране на ЦМР, е важно да се провери дали геометричните модели на всеки от софтуерите PCI и ERDAS, са зависими от ЦМР и, ако е така, да се оценят съществуващите тенденции.
И двете приложения третират данните от FORMOSAT-2 почти по един и същи начин. Специално създаденият точен физичен модел за FORMOSAT-2 е достъпен след зареждане на изображение във формат GeoTIFF. Освен това, те могат да четат метаданни за изображения предоставени във формат DIMAP. От друга страна, PCI изисква допълнителна стъпка преди въвеждането на ОТ за подобряване на външната ориентация, което включва четене на суровите сателитни данни и трансформацията им във файл с разширение PIX –форматът по подразбиране на файловете във софтуера.
Експериментална постановка
Както беше споменато по-рано, за да се създаде по-добре георефериран продукт по метода на орторектификацията е необходим ЦМР. Това осигурява премахване на деформациите, причинени от релефа, като по този начин мащабът в рамките на изображението остава неизменен, независимо от промените в надморската височина. В това проучване са проверени четири различни ЦМР за евентуално влияние върху орторектификацията на данните от FORMOSAT-2 . Един от тях е полученият по метода на дистанционните изследвания ЦМР от SRTM и други два, получени от хоризонтали и коти, дигитализирани от топографски карти в М 1:50 000 и 1:25 000.
Изследвани са идентични постановки в двата софтуерни продукта PCI и ERDAS. За да се подсигури съпоставимостта на поведението на софтуерите, всички избрани ОТ и НКТ са идентични за всеки софтуерен тест, а техните координати са прехвърлени в съответните модели чрез импортиране, за да се избегнат грешки от интерпретацията.
Приложени са две противоположни стратегии, използвайки всеки от включените ЦМР. При едната от тях за ОТ са приложени DGPS измервания, а за НКТ са използвани точки установени върху изображения от IKONOS. При другата стратегия, ОТ са от изображения на IKONOS, а НКТ – от DGPS измервания. При първия подход точността на ОТ е много висока, но разпределението е фиксирано и не толкова добро за конкретния район на това проучване. Обратното важи за втория подход, където са избрани най-добре разпределените ОТ, но точността им е ограничена от качеството на ортоизображенията от IKONOS. Съответно първият подход изследва ефекта от точността на измерванията в комбинация с различните източници на ЦМР, докато вторият проверява ефекта от разпределението на точките върху получените ортоизображения с всеки от наличните ЦМР – SRTM, TOPO50 и TOPO25.
Орторектификацията с всеки ЦМР включва два или три теста с постепенно увеличаване броя на ОТ. Когато за ОТ са използвани DGPS измервания, орторектификацията се постига с 10 или 14 точки. Когато източника на ОТ са данни от IKONOS се провеждат три теста с 10,14 и 30 точки.
Що се отнася до НКТ, при орторектификация с ОТ от DGPS измервания оценката на резултатите е направена с 30 точки от IKONOS. Обратно, при орторектификация с ОТ по данни от IKONOS, оценката на орторектифиацията е направена с 22 точки.
Относителното разпределение на ОТ и НКТ може да се разгледа на следващите 3 фигури.
Фигура 8. Разпределение на ОТ (бели) и точки на НКТ (синьо-зелени), които са избрани за орторектификация с 10 ОТ (ляво) и 14 ОТ (дясно). ОТ са измерени чрез DGPS оборудване, докато 30-те HKT са определени върху данни от IKONOS.
Фигура 9. Разпределение на ОТ и НКТ, избрани за орторектификацията с 10 ОТ(ляво),14 ОТ(дясно) и 30 ОТ (долу). Тези ОТ са получени от IKONOS ортофотоснимки съответстващи на на покритието на FORMOSAT-2, докато НКТ са от 22 DGPS точкови измервания.
4. Резултати и дискусии
Процесът на орторектификация изисква ОТ за изчисление на положението и ориентацията на системата за дистанционни изследвания по времето на заснемане на изображението и ЦМР за корекция на несъответствията в мащаба, причинени от различията на терена.
Таблица 6 Резултати от орторектификациите със софтуера ERDAS, използвайки различен брой ОТ и ЦМР
Различни сценарии, които са били тествани Цялата информация е дадена в следващите таблициDEM | RMSEdim | GCPsnumber and source | ||||
|
| 10_DGPS | 14_DGPS | 10_IK | 14_IK | 30_IK |
SRTM | X | 4.21 | 1.62 | 2.09 | 1.77 | 1.88 |
| Y | 4.91 | 2.66 | 2.80 | 2.03 | 2.07 |
| 2D | 6.47 | 3.11 | 3.49 | 2.69 | 2.80 |
Ref3D | X | 3.69 | 2.10 | 2.16 | 1.84 | 1.93 |
| Y | 4.80 | 2.88 | 2.85 | 2.21 | 2.18 |
| 2D | 6.05 | 3.56 | 3.58 | 2.88 | 2.91 |
topo50 | X | 4.18 | 1.77 | 1.89 | 1.98 | 1.93 |
| Y | 4.91 | 2.80 | 2.68 | 2.15 | 2.13 |
| 2D | 6.45 | 3.31 | 3.28 | 2.92 | 2.87 |
topo25 | X | 4.58 | 1.46 | 2.27 | 1.85 | 2.09 |
| Y | 4.75 | 2.55 | 2.58 | 1.86 | 1.91 |
| 2D | 6.60 | 2.94 | 3.43 | 2.63 | 2.83 |
ICPsnum&source | 30IKONOS | 30IKONOS | 22DGPS | 22DGPS | 22DGPS | |
Таблица 7
Резултати от орторектификациите със софтуера PCI, използвайки различен брой ОТ и ЦМР
Според критериите на CwRS планиметричната грешка на орто изображенията от FORMOSAT-2 не би трябвало да превишават средна квадратна грешка от 3.5м, и по двете оси – Х и У. Резултатите от това изследване разкриват, че FORMOSAT-2 може да се орторектифицира в коя да е от средите на ERDAS или PCI за обработка на изображения, без риск от превишение на допуските за средната квадратна грешка, ако ОТ са по-малко от 14.
4.1 ERDAS срещу PCI
Два добре познати софтуерни пакета за обработка на данни от дистанционни изследвания бяха изпитани с идентичен брой ОТ и ЦМР.
Основната тенденция, която това проучване разкри засяга естеството на моделиране на FORMOSAT-2 в ERDAS и PCI, а именно, че първият софтуер моделира по-добре деформациите по оста Х, а вторият моделират по-добре по оста У (Таблица 6).
Освен това, резултатите показаха, че когато броят на ОТ се увеличи от 10 на 14 поведението на моделирането в средата на ERDAS се изменя драстично към по-добро. От друга страна, увеличаването на ОТ в среда на PCI се оказва в линейна зависимост с подобрението на резултатите от орторектификацията. (Фигура 10)
Фигура 10. Поведение на модела на орторектификация в средата на ERDAS и PCI с четири различни ЦМР – два произхождащи от данни за дистанционни изследвания (студени цветове) и два получени чрез традиционни картографски методи (топли цветове).
Друга интересна тенденция е, че ERDAS не се повлиява от различните точности на ЦМР при използване на достатъчен брой ОТ, т.е. 30. От друга страна, PCI е по-податлив на отклонения в точността на позициониране в крайния орто продукт, когато ЦМР е с ниска точност на височините. (Фигура 13)
Когато се използва достатъчен брой ОТ, т.е. 30, няма много голяма разлика какъв ЦМР се използва. Изглежда, че PCI е по-чувствителен към точността на ЦМР и дава най-лоши резултати при най-големия брой точки при използване на релеф генериран от ТОРО50.
Моделирането на FORMOSAT-2 е незадоволително в нито една от двете среди, когато има малко ОТ, т.е. 10.
4.2 Очертаване на тенденции
Различните постановки на проектите водят до различни резултати. (Фигура 11, Фигура 12, Фигура 13). Когато точките на привързване, използвани при орторектификцията произхождат от изображения от IKONOS, проверките с високоточните DGPS точки показват по-точни орто-продукти, спрямо постановката, при която за пръвързващи точки в процеса на гео коригиране се използват DGPS измервания. Тази разлика е по-очевидна, когато се използват ограничен брой ОТ.
Фигура 11. Сравнение на резултатите от орторектификациите с 10 ОТ и ЦМР произхождащи от SRTM, Reference3D и топографски карти в мащаби 1:25 000 и 1:50 000.
По-доброто разпределение на точките, взети от изображенията от IKONOS водят до видимо подобрение на орторектификацията, макар и да не са толкова точни като DGPS измерванията. Още повече правилното разпределение на опорните точки изглежда е по-важно от използвания при геометричната корекция на FORMOSAT-2 ЦМР.
Фигура 12. Сравнение на резултатите от орторектификациите, получени с 14 ОТ и ЦМР от SRTM, Reference3D и топографски карти в мащаби 1:25 000 и 1:50 000.
Фигура 13. Сравнение на резултатите от орторектификацииите, получени с 30 ОТ и ЦМР от SRTM, Reference3D и топографски карти в мащаби 1:25 000 и 1:50 000.
4.3 Пространствена разделителна способност и точност
Беше демонстрирано, че вече е възможно да се извършва добра орторектификация, използвайки стандартни софтуерни пакети. Трябва да си припомним, че и в двата случая специално създадените точни сателитни модели FORMOSAT-2, които са използвани в настоящото изследване са относително нови и вероятно ще се подобрят с времето.
Би трябвало, когато пространствената разделителна способност на включените в процеса на орторектификация цифрови модели на релефа се увеличи, точността на позициониране на геокодирания продукт също да нарасне.
Пространствената разделителна способност на ЦМР от SRTM за района на София, съответстващ на покритието на FORMOSAT-2 е 70х90м. Reference3D има по-добра пространствена разделителна способност – 30м. TOPO50 и TOPO25 имат съответно – 30м и 15м.
Както бе отбелязано в този анализ, съвременните средства за картиране на земната повърхност осигуряват високоточни продукти. Затова орторектификация със SRTM, независимо от софтуера, дори при по-лоша разделителна способност, дава много по-добри резултати от орторектификацията с ЦМР получен от традиционните топографски карти (TOPO50 и TOPO25).
При изследването на представянето на същите тези ЦМР, получени от контури и коти от топографски карти бе установено, че с малък брой опорни точки TOPO50 показва по-добри резултати при орторектифицирани изображения с TOPO25, който има най-висока пространствена разделителна способност.
Заключение
Oт 2006 г. Европейската комисия използва FORMOSAT-2 за резервен сензор с много висока пространствена разделителна способност за своята кампания CwRS. Използвайки стандартни софтуерни пакети като PCI Geomatica и ERDAS IMAGINE и достатъчен брой опорни точки, резултатите от орторетификацията са доста обещаващи. Рутинното създаване на ортоизображения ще наложи използването на данни за релефа от различни източници.
В настоящия доклад са изследвани четири различни ЦМР за тяхното въздействие върху орторектификацията на изображение от FORMOSAT-2 за района на София-град. Единият от тях е получен от SRTM Band C, вторият – от Reference3D а останалите два – от дигитализирани хоризонтали и коти от топографски карти в М 1:50 000 и 1:25 000.
Приложени са серии от тестове, използвайки всеки от четирите ЦМР, за да се премахнат деформациите в релефа, с което се създават ортоизображения от оригиналните данни от FORMOSAT-2 ниво 1А. Всеки ЦМР бе изпитан в две различни постановки на орторектификация: чрез ОТ от диференциални GPS измервания и чрез ОТ от IKONOS ортоизображения. Оценката на резултатите е извършена противоположно – когато диференциалните GPS измервания се използват за привързване, НКТ идват от данните на IKONOS. Гореспоменатата методология е систематична и напълно отговаря на стандартната методология разработен от JRC (ЕС, 2007).
Резултатите от това проучване показват, че моделирането за получаване на ортоизображения в среда на ERDAS IMAGINE или PCI Geomatica е значително по-зависимо от доброто разпределение на ОТ, отколкото от източника на използвания при моделирането ЦМР. Съответно, за да се получи най-добър резултат се използват 30 добре разпределени опорни точки и SRTM или TOPO25 ЦМР. Въпреки това, PCI е по-чувствителен към точността на ЦМР, когато са налични достатъчен брой точки за привързване (30 ОТ).
Освен това качеството на цифровите модели на релефа, произхождащи от съвременните средства за дистанционни наблюдения, както е в случая на SRTM и Reference3D, е по-добро от качеството на ЦМР, получени чрез традиционни картировъчни техники и дори при по-ниска резолюция осигуряват по-добро моделиране при орторектификация на FORMOSAT-2.
В заключение, орторектификацията на FORMOSAT-2 не се влияе от източника на ЦМР, особено в среда на ERDAS. Както PCI, така и ERDAS са способни да създават ортоизображения от FORMOSAT-2 със значително добри резултати при достатъчен брой опорни точки, примерно поне 14 точки. Така зададен проект на орторектификация покрива техническите спецификации изисквани при кампаниите по CwRS. Съответно при използване на поне 14 ОТ, се подсигурява безрисково и точно орторектифициране като средната квадратна грешка при проверка на резултата няма да надвиши 3.5 м по всяко от двете основни направления Х и У.
Необходимо е да се извършат допълнителни проучвания, за да се определи оптималния брой ОТ, които да се използват при орторектификация на FORMOSAT-2 изображения на рутинен принцип. В допълнение, трябва да се изследва ефекта от ъгъла на заснемане върху точността на орторектификацията. Тези по-нататъшни изследвания трябва да бъдат направени и за софтуерите PCI и ERDAS, като е вероятно различните модели да се държат по различен начин. Такъв обстоен анализ може да помогне за по-бързо и по-качествено изработване на орторектифицирани изображения.
