Характеристика геометрической точности космических снимков высокого разрешения. О возможных масштабах карт в зависимости от точности снимков

Решения

Высокоточная цифровая картографическая продукция востребована во всех сферах хозяйственной деятельности. Она необходима при геологоразведке, добыче и транспортировке углеводородов, проектировании промышленных предприятий, рекреационных зон, городских кварталов, при экологическом мониторинге. С ее помощью решается широкий круг прикладных задач.

Картографирование территорий. Лазерное сканирование – эффективный инструмент создания карт обширных территорий. Огромное преимущество технологии - в колоссальном сокращении полевых работ и периода камеральной обработки полученных данных, за счет чего многократно увеличивается продуктивность и сокращается себестоимость работ. Современные аэросъемочные методы позволяют создавать карты любого масштаба по итогам одного залета, поскольку результаты съемки территории при помощи ВЛС – изначально цифровые. Кроме того, технология позволяет единовременно зафиксировать весь объем информации о местности с последующей возможностью проводить выборочную детализацию на любом масштабном уровне в зависимости от назначения карты.

Проектирование новых и реконструкция существующих объектов. Цифровые модели местности и рельефа могут легко импортироваться в программные продукты для проектирования различных объектов – промышленных предприятий, дорог, трубопроводов, линий электропередач и т.п. В то же время, высокоточные трехмерные модели сложных инженерных сооружений значительно упрощают процесс проектирования их реконструкции.

Инспекция технического состояния инженерных объектов. По результатам воздушного и наземного лазерного сканирования можно быстро и эффективно оценить техническое состояние производственных цехов, архитектурных памятников, дорог, магистральных трубопроводов, опор линий электропередач и т.п.

Паспортизация сложных инженерных сооружений. Часто встает вопрос обновления или восстановления технической документации по инженерному сооружению. В этом случае возможности технологии наземного лазерного сканирования уникальны и не имеют аналогов.

Прогноз и мониторинг чрезвычайных ситуаций. По цифровым моделям рельефа и местности можно эффективно прогнозировать последствия различных природных явлений – наводнений, оползней и т.п. Кроме того, наземное лазерное сканирование эффективно применяется для мониторинга деформаций различных объектов. Цифровая аэрофотосъемка предоставляет уникальные возможности по оперативному мониторингу последствий различных чрезвычайных происшествий.

Создание корпоративных геоинформационных систем. Цифровые топографические карты и планы, а также модели рельефа и местности являются геоподосновой любой геоинформационной системы. Инновационные технологии воздушного лазерного сканирования и цифровой аэрофотосъемки значительно ускоряют процесс создания цифровых карт.

Визуализация и управление пространственными данными. Необходимость обмена данными, совместного анализа и возможность быстрого реагирования в режиме реального времени требует от современных технологий решений, многократно превосходящих по эффективности представление данных в бумажном виде или просто в отображении на экране монитора. Программно-аппаратный комплекс, разработанный компанией «TouchTable» (США), в настоящее время успешно используется правительственными и военными организациями многих стран, а также нефтяными и транспортными компаниями для анализа обстановки и принятия решений в целях обеспечения их деятельности.

Сравнительный анализ эффективности применения цифровой аэрофотосъемки и космической съемки для целей создания и обновления топографических и специальных карт

Автор статьи:
Кадничанский Сергей Алексеевич
Вице президент РОФДЗ

Обоснование пространственного разрешения снимка (размера пикселя на местности) в зависимости от масштаба создаваемой или обновляемой карты. О возможных масштабах карт в зависимости от пространственного разрешения снимков

Космическая съемка в видимом спектральном диапазоне и ближнем инфракрасном в последнее время претерпели весьма ощутимое развитие в сторону увеличения разрешающей способности космических изображений. Это принципиально делает возможным использование этой информации, в том числе для целей картографирования и обновления карт. При этом возникает вопрос: о каких масштабах карт может идти речь?

Применительно к цифровой аэрофотосъемке или космической цифровой съемке, ни в каких российских нормативно-технических документах не содержится требований к пространственному разрешению в зависимости от масштаба карты, плана или ортофотоплана. В Инструкции по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов [1] в Приложении 5 (стр. 90 - 91) изложена методика расчета размера пикселя при сканировании аналогового снимка в зависимости от масштаба фотографирования и масштаба создаваемой карты, содержащая 4 формулы вычисления, из которых к нашему случаю имеют отношение только первая (Ps) и последняя (Pp):

где M _k - знаменатель масштаба карты (плана), M _c - знаменатель масштаба аэрофотоснимка, V _s - требуемая точность определения плановых координат равная 0.2 мм. Первая из этих формул дает размер пикселя в мм, вторая в микронах. Прямого отношения к требованиям размера пикселя на местности цифровой аэрофотосъемки или космической съемки эти формулы не имеют, но в некоторых случаях за неимением иных требований их используют, преобразовав к виду, позволяющему оценить размер пикселя на местности в метрах:

Для масштаба плана 1:5000 при масштабе снимка 1:20000 P_s = 0.5 м; P _p=0.35 м.

Согласно Инструкции по фотограмметрическим работам использовать нужно меньшее. Однако расчет P _p основан на требованиях к графическому качеству напечатанного на бумаге ортофотоплана, заключающемуся в том, чтобы размер полутонового пикселя не превышал 70 мкм. По этой причине основываться на этом критерии выбора размера пикселя в том случае, когда ортофотоплан используется в цифровом виде или когда его твердая копия печатается с помощью плоттера (принтера), не обеспечивающего разрешение с размером полутонового пикселя равным 70 мкм, нет никаких причин. Таким образом, при использовании ортофотоплана в цифровом виде представляется более логичным пользоваться критерием P _s, основанном на требуемой точности измерений. Это означает, что согласно требованиям Инструкции по фотограмметрическим работам для масштаба 1:5000 размер пикселя на местности может достигать 0.5 м. Но даже и это значение представляется необоснованным, т.к. критерий P _s основан просто на том, что размер пикселя должен быть в 2 раза меньше допустимой ошибки измерения по ортофотоплану, а ошибка измерения составляет 0.2 мм в масштабе плана. Этот подход просто не имеет никакого обоснования. С одной стороны, точность измерений по цифровому изображению составляет доли пикселя, но не 2 пикселя и в любом случае не хуже 1 пикселя! Следует обратить внимание, что в этом подходе совершенно не учитывается возможность дешифрирования снимков, т.е. распознавания объектов и определения их характеристик.

Т.е. представленные в Инструкции по фотограмметрическим работам формулы расчета размера пикселя на местности отражают линейную зависимость размера пикселя от масштаба карты, что в принципе не должно быть с учетом задачи дешифрирования (распознавания объектов и их характеристик). Если проанализировать требования к допустимым масштабам фотографирования в зависимости от масштаба карты (плана), сформулированные в Инструкциях по топографической съемке [2, 3], акцентируя внимание на задаче дешифрирования, и принять, что разрешение аналоговых снимков на момент издания инструкций составляло не более 20-30 линий на мм (рассчитывать на более высокое разрешение нет оснований), то получится ряд значений размера пикселя, представленный в таблице 1.

Таблица 1. Размер пикселя на местности в зависимости от масштаба карты (плана)

Нелинейный характер зависимости разрешения снимка в зависимости от масштаба карты отчетливо виден из этого ряда, особенно при графическом отображении (см. график 1). Выбор соотношения масштаба карты (плана) и масштаба фотографирования, представ-ленный в Инструкциях по топографической съемке носит несколько приближенный характер в том смысле, что масштаб фотографирования выражается весьма круглыми числами, и по этой причине кривая зависимости размера пикселя от масштаба карты выглядит не очень гладкой. В результате некоторого сглаживания кривой можно построить ряд номинальных рекомендуемых значений размера пикселя для масштабного ряда (на графике показано красным цветом) и ряд максимальных допустимых значений, принимая, что максимальные допустимые значения должны быть пропорциональны рекомендуемым (см. график 1).

Таким образом, зависимость размера пикселя от масштаба создаваемого плана (карты) с учетом потребности задачи дешифрирования не может носить линейных характер.

Для выбора размера пикселя следует основываться не столько на точностных критериях, сколько на потребностях дешифрирования цифрового изображения, накопленного опыта, отраженного в Инструкциях по Топографической съемке, и разработанных исходя из этого таблиц номинальных рекомендуемых размеров пикселей.

Исходя из того, что пространственное разрешение лучших в этом отношении коммерческих космических снимков составляет 0.5 м и 1.0 м, можно с уверенностью говорить о возможности их использования для карт масштабов 1:10000 и 1:25000 с точки зрения дешифровочных свойств изображений. Возможность и эффективность использования снимков с разрешением 0.5 м для создания плана масштаба 1:5000 зависит от ситуации и конкретных требований к содержанию карты.

Характеристика геометрической точности космических снимков высокого разрешения. О возможных масштабах карт в зависимости от точности снимков

Под снимками высокого разрешения в данном случае понимаются космические снимки с размером пикселя на местности 0.5 м и 1.0 м. Рассмотрим их точностные характеристики на примере продуктов компании GeoEye. Дифференциация продуктов в настоящее время строится не по принципу использования вида сигнала спутниковой системы (Ikonos или GeoEye-1), а по принципу предоставляемого спутником пространственного разрешения (1.0 м или 0.5 м). Материалы космической съемки высокого разрешения (1.0 м и 0.5 м) предоставляются в виде продуктов следующих видов (уровней), отличающихся в зависимости от произведенной обработки и пригодности тем или иным применениям: Geo, GeoProfessional, GeoStereo. Из них в качестве предмета анализа интерес представляют Geo и GeoStereo как снимки, которые пользователь способен самостоятельно обрабатывать. Точностные характеристики этих снимков представлены в таблице 2.

Таблица 2. Точностные характеристики снимков

Продукт Geo можно рассматривать как основной потребляемый в тех случаях, когда у нас есть ЦМР из другого источника. GeoStereo может быть использован и в том случае, когда нет готовой ЦМР, и она создается по стереопаре космических снимков.

Относительно использования указанных материалов космической съемки для создания или обновления карт того или иного масштаба следует заметить, что по точности планового положения они удовлетворяют требованиям масштаба от 1:25000 до 1:5000. GeoStereo Precision с разрешением 0.5 м можно пробовать применить для масштаба 1:2000. Для масштабов карт 1:25000 и даже 1:10000 снимки могут использоваться без фототриангуляции, т.е. без какого-либо дополнительного материала наземного планово-высотного обоснования.

Что касается разрешения, то следует иметь в виду, что снимки с разрешением 1.0 м наиболее эффективно могут использоваться для масштаба 1:25000, но для масштаба 1:10000 их дешифровочных возможностей может быть не достаточно, т.е. применение их в картографировании в масштабе 1:10000 должно оцениваться в каждом конкретном случае. Снимки с разрешением 0.5 м по своим дешифровочным возможностям полностью удовлетворяют масштабу 1:10000 и, в некоторых случаях могут быть использованы для масштаба 1:5000. О применении их к масштабу 1:2000 можно будет говорить после экспериментальной проверки и имея в виду ограничения их дешифровочных возможностей.

При этом следует обратить внимание, что съемка рельефа по космическим снимкам ограничивается высотой сечения рельефа 10 м или в самом лучшем случае 5 м при использовании GeoStereo Precission.

Таким образом, космические снимки высокого разрешения могут уверенно использоваться для создания ортофотопланов масштаба 1:10000 и 1:25000 для составления или обновления контурной части карт этих масштабов. С некоторыми ограничениями дешифровочных возможностей, но без ущерба точности можно говорить о масштабе 1:5000.

3. Сопоставимость материалов АФС и космической съемки по возможности получения различных видов продукции (только план при наличии готовой ЦМР или включая ЦМР)

Аэрофотоснимки, полученные со стандартными продольным и поперечным перекрытиями являются источником всей необходимой информации для того чтобы выполнить съемку рельефа, создать цифровую модель рельефа, выполнить ортотрансформирование и создать ортофотоплан, выполнить съемку ситуации. Причем при съемке с размером пикселя до 0.5 м можно рассчитывать на съемку рельефа с высотой сечения 5.0 м, что требует экспериментальной проверки.

Космические снимки типа Geo могут быть использованы только для создания ортофотоплана при условии наличия готовой ЦМР с точностью характеризуемой СКО < 14 м для масштаба ортофотоплана 1:10000 и СКО < 30м для масштаба 1:25000. При отсутствии готовой ЦМР следует использовать продукт GeoStereo, позволяющий построить ЦМР по стереопаре.

В таблице 3 наглядно представлены возможности использования космических снимков и аэрофотоснимков для решения различных задач по созданию и обновлению карт и планов, откуда видно, что космический снимок и аэрофотоснимок имеют разные возможности получения по ним различных видов продукции, и решения тех или иных задач.

Таблица 3. Возможности использования космических снимков и аэрофотоснимков для решения различных задач по созданию и обновлению карт и планов