Цифровая модель дискретной основы

Лабораторная работа №3

По дисциплине: Дистанционные и ГИС-технологии в геоэкологических исследованиях[

(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)

Тема: «Построение картографических моделей пространственных измерений»

Выполнил: студент гр. ИЗБ-12-2 ________ /Акмуллина Р,Э./

^{(подпись)}

Проверил: доцент ________ / Мовчан И.Б./

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

Постановка задачи: преобразования дискретных цифровых и фотографических данных в наглядной форме.

Цифровая модель дискретной основы

Оптические снимки получают со спутников ДЗЗ, оснащённых оптико-электронной съемочной аппаратурой, которая регистрирует электромагнитное излучение в оптическом диапазоне электромагнитных волн: ультрафиолетовом, видимом или инфракрасном диапазоне.
В зависимости от спектрального разрешения оптико-электронная съемочная аппаратура делится на панхроматическую и мультиспектральную для проведения съемки в панхроматическом и/или мультиспектральном режимах, с получением в результате панхроматических и/или мультиспектральных космических снимков.
Панхроматические или чёрно-белые снимки получают при съемке во всем видимом диапазоне спектра. Мультиспектральные (многозональные, цветные) снимки получают при одновременной съемке одного и того же участка Земли в разных спектральных каналах.

Величина, характеризующая размер наименьших объектов, различимых на космическом снимке называется пространственным разрешением. Оптические космические снимки разделяются на снимки со сверхвысоким разрешением (меньше 1м), высоким (1-2,5м), средним(2,5-10м) и низким (более 10м).

Оценивая ситуацию на рынке данных дистанционного зондирования можно с уверенностью сказать, что снимки высокого разрешения, заняли свою нишу и уже существует целый ряд приложений, использующих в качестве данных дистанционного зондирования (ДЗ) радиолокационные снимки. Это прежде всего относится к приложениям, требующим оперативного получения информации независимо от погодных условий и освещенности поверхности (экологический мониторинг, например определение площади разливов нефтепродуктов, затопленных площадей при наводнении, контроль за вырубкой леса). Кроме того, космическая радиолокационная информация может быть использована для геологических исследований (составление геологических карт районов, перспективных для добычи полезных ископаемых), изучения процессов в приповерхностном слое морей и океанов, в целях картографирования. Можно условно выделить два направления в картографировании для которых средства анализа радиолокационных данных ДЗ находят наибольшее применение. Первое направление это создание цифровых моделей рельефа и на их основе цифровых топографических карт с использованием стереометрического и интерферометрического методов. Вторым направлением является объектовый анализ радиолокационных снимков, использующий различные дешифровочные свойства снимков. Объекты на снимках обычно разделяются на точечные и пространственно распределенные. К точечным относятся объекты, чьи пространственные размеры не превышают единиц элементов разрешения РСА. Пространственно распределенные объекты иначе называют площадными, к ним относятся, например, лесные массивы, поля и т.д. Дешифровочными свойствами снимка является его яркость или амплитуда, текстуры, размеры и формы объектов. Амплитудные и текстурные свойства используются главным образом для идентификации и классификации площадных объектов. Точечные объекты характеризуются, наряду с яркостью, количеством отсчетов сигнала и их взаимным расположением. Таким образом, радиолокационные данные ДЗ могут быть использованы в картографических приложениях двояким образом: во-первых для выявления или уточнения объектного состава поверхности, классификации объектов, уточнения их границ и, во-вторых для построения цифровых моделей рельефа, то есть для создания третьей пространственной координаты радиолокационного снимка. Существует несколько методов, позволяющих выделить из радиолокационных данных информацию о возвышении рельефа поверхности: стереометрический, интерферометрический, клинометрический и поляриметрический.

Стереометрический и интерферометрический методы требуют двух снимков одного и того же участка поверхности, клинометрический работает только с одним снимком, а поляриметрический требует набора изображений, сделанных с разными поляризациями сигнала. В силу ряда особенностей этих методов, практическое использование при создании рельефа поверхности находят только стереометрический и интерферометрический методы. Рассмотрим коротко их возможности.

Стереоскопическая радиолокационная съемка из космоса известна достаточно давно, с начала 80-х годов, когда были получены стереопары с американского РСА SIR-B и по ним при помощи только цифровой обработки восстановлен рельеф поверхности. Условием получения снимков, пригодных для цифровой стереообработки, является съемка с одноименных витков (восходящих или нисходящих) с разностью углов визирования примерно от 5 до 30 градусов. При подборе стереопар желательно выбирать снимки, сделанные с меньшим временным интервалом, чтобы избежать взаимной декорреляции изображений из-за различных изменений на поверхности за время между съемками.

Точность восстановления вертикальной составляющей при цифровой стереообработке зависит практически только от пространственной разрешающей способности радиолокатора. Это обусловлено тем, что цифровой корреляционный анализ снимков стереопары может быть сделан с точностью до величины элемента разрешения. Хотя существуют методы внутрипиксельной обработки, позволяющие получить статистическую точность корреляции до половины элемента разрешения, при оценке реальной разрешающей способности метода по высоте следует ориентироваться на величину пространственного разрешения. Пространственная разрешающая способность современных космических РСА составляет единицы метров (например 8 метров у РСА RadarSat). На рисунке 1 показан один из снимков стереопары на участок местности в штате Невада, США, полученной РСА RadarSat. На рисунке 2 показана цифровая модель рельефа, построенная при помощи цифровой обработки стереопары.

Рисунок 1. Рисунок 2

Интерферометрическая обработка данных РСА заключается в выделении фазовой информации из радиолокационного сигнала и совместной обработки фазовых полей, полученных съемкой одного и того же участка местности на двух витках или одновременно двумя антенными системами. Основными областями применения интерферометрической съемки являются: картографирование (получение моделей рельефа) с высокой точностью, мониторинг различного вида ресурсов, выявление различного рода загрязнений на земной поверхности, оценка результатов природных катастроф (смещение больщих участков поверхности при землетрясениях, оползнях, расширение зоны пустынь, изменение структуры почвы или эрозия), контроль за перемещением ледовых полей в зонах морского судоходства. Для интерферометрической съемки необходимо точное знание параметров орбиты КА. Условием получения интерферометрических данных является расстояние между траекториями при съемках (или интерферометрическая база) порядка нескольких сотен метров. Интерферометрические пары снимков сейчас могут быть получены РСА ERS-1/2, JERS-1, RadatSat. Имеется база интерферометрических данных, полученных при полете РСА SIR-C/X. Кроме того существует несколько интерферометрических систем на самолетах, предназначенных в основном для исследований возможностей интерферометрического метода, главным образом, в части получения высокоточных карт рельефа.

Точность интерферометрического метода зависит от качества исходных изображений, т.е. от уровня фазового шума снимков и от степени их временной декорреляции, если съемка производилась на двух пролетах. Практические результаты, полученные американскими специалистами на интерферометрической системе авиационного базирования (эксперимент TOPSAR) подтвердили достижимую точность восстановления высотной составляющей рельефа 1 метр по местности с умеренными возвышенностями и 3 м по горному рельефу. В рамках совместного эксперимента НПО Машиностроения и NASA по исследованию возможностей интерферометрического метода для картографирования нашими специалистами была проведена обработка интерферометрических снимков с РСА SIR-C/X для тестового участка в районе г.Жуковский Московской области. Точность восстановления рельефа составила 3-5 метров в зависимости от уровня фазового шума на поверхности. Размер обработанных участков снимков на местности для этого эксперимента составил примерно 6 на 6 километров. Другим примером оценки точности интерферометрического метода могут служить результаты обработки снимков с SIR-C/X в НПО Машиностроения по одному из районов штата Калифорния. Обрабатывался полный участок перекрытия между двумя снимками интерферометрической пары с размерами на местности 40 на 25 км. Ошибка восстановления рельефа составила 13 метров для одного края результирующей модели и 15 метров для другого края. При этом следует учесть два обстоятельства, снижающих точность обработки. Во первых, платформа SIR-C/X (МТКК “Спейс Шаттл”) имеет из-за низкой высоты крайне нестабильную орбиту, снимжает точность необходимых фазовых компенсаций. Во-вторых, обрабатываемый часток имел резкие перепады рельефа, так что плановые ошибки существенно влияли на оценку точности.

Яркостное изображение одного из снимков интерферометрической пары для этого участка приведено на рисунке 3. Цифровая модель рельефа, полученная цифровой обработкой - на рисунке 4. На рисунке 5 показано перспективное трехмерное представление модели рельефа.

Рисунок 3. Рисунок 4.

Рисунок 5.

Одновременно с развитием инструментальных средств радиолокационного зондирования совершенствуются и программно-алгоритмические средства обработки данных. Расширение базы данных радиолокационных снимков, удовлетворяющих требованиям к стереоскопической и интерферометрической съемкам, делает актуальной разработку программного обеспечения, позволяющего выделять из этих снимков заложенную в них информацию о рельефе.

Проводя необходимые работы в этом направлении, ERDAS Inc. совместно с НПО Машиностроения и американской компанией Vexel Corp. заканчивает разработку Усовершенствованного радарного модуля (Advanced Radar Module), обладающего набором функций, которые позволяют проводить обработку данных РСА в соответствии с самыми современными требованиями. Радарный модуль реализует концепцию Radar Mapping System (Система радиолокационного картографирования). В частности, радарный модуль будет обеспечивать пользователям следующие возможности.

Загрузка (импорт) изображений со стандартных носителей (магнитная лента, CD-ROM) на жесткий диск системы в формат “.img”. Автоматически осуществляется чтение служебной информации на сеанс съемки и запись ее в заголовок файла.

Функции повышения качества изображений и его дешифровочных свойств, к которым относятся фильтрация для подавления спекл-шума, присущего радиолокационным снимкам, изменение гистограммы, тектурный анализ.

Геокодирование и прецезионное геокодирование радиолокационных снимков. Функция геокодирования подразумевает трансформацию снимка из проекции наклонной дальности радиолокатора в определенную картографическую проекцию, из которой в дальнейшем, используя стандартные функции пакета ERDAS, можно перевести снимкок в любую проекцию из предоставляемого набора. Прецезионное геокодирование позволяет при трансформации снимка в картографическую проекцию устранить искажения, вносимые высотной составляющей рельефа в пространственное положение точек снимка. Для прецезионного геокодирования, следовательно, необходимо иметь цифровую модель рельефа обрабатываемого участка поверхности. На выходе операции прецезионного геокодирования формируется плановая картографическая проекция снимка, позволяющая в дальнейшем совмещать его с цифровыми географическими картами и геокодированными снимками с других датчиков.

Создание цифровых моделей рельефа поверхности. Для этого реализованы стереометрический и интерферометрический методы. На выходе модуля стереообработки формируются относительные или абсолютные высоты для каждого элемента одного из изображения поверхности, называемого мастер- снимком. На выходе интерферометрического модуля формируются относительные высоты рельефа, также привязанные к одному из изображений. Пространственные размеры дискрета матрицы рельефа соответствуют межпиксельному расстоянию исходных изображений. Для получения моделей рельефа в плановой проекции необходимо затем воспользоваться модулем OrthoRadar. Временные затраты на стереообработку можно оценить на таком примере. Восстановление рельефа для одного сюжета с РСА RadarSat размером примерно 30*30 км по поверхности занимает не более полутора часов, включая загрузку двух файлов с CD-ROM. Время интерферометрической обработки снимков с размерами на поверхности Земли 16*16 км (1000*1000 пикселов) от импорта изображений до формирования матрицы абсолютных высот рельефа не превышает одного часа.

Дата добавления: 2015-07-15