автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Методы и технологии геометрической обработки космической видеоинформации от оптико-электронных систем высокого пространственного разрешения

На правах рукописи

ГОМОЗОВ Олег Анатольевич

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОЙ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ОТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2005

Работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии

Научный руководитель: доктор технических наук

Кузнецов Алексей Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пылькин Александр Николаевич

кандидат технических наук Гриць Валерий Матвеевич

Ведущая организация: Государственный космический научно-

производственный центр им. М.В. Хруничева, г. Москва

Защита состоится 15 июня 2005 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.01 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу:

390005, г. Рязань, ул. Гагарина, д.59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан 11 мая 2005г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.211.01 к.т.н., доцент

Пржегорлинский В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. До недавнего времени съемка земной поверхности с высоким пространственным разрешением (1 м и менее) выполнялась с помощью фотографических спутников, а получаемая информация использовалась, главным образом, для решения задач специального визуального наблюдения. Поэтому основным назначением как самих съемочных систем, так и технологий обработки было получение изображения, обладающего высокими фотометрическими характеристиками. Фотограмметрические задачи, связанные с устранением геометрических искажений изображений, как правило, решались с использованием обобщенных моделей съемочной системы (кадровой, щелевой или панорамной) и большого количества опорных данных о местности, представленных в виде опорных точек и цифровых моделей рельефа.

В настоящее время получают интенсивное развитие оптико-электронные космические системы мониторинга земной поверхности, основанные на новых принципах регистрации и передачи информации дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). NASA (США) и Европейское космическое агентство прилагают беспрецедентные усилия по созданию группировки искусственных спутников Земли, которая обеспечивала бы получение оперативной и высокоточной информации о земной поверхности. К их числу, в первую очередь, можно отнести ИСЗ с системами высокого пространственного разрешения - Ikonos, ObrView, QuickBird, Spot-5.

Появление российских космических аппаратов (КА) с оптико-электронными системами высокого пространственного разрешения («Аркон», «Ресурс-ДК», «Монитор-Э»), оснащенных высокоточными системами навигации, выдвигает новые требования к методам обработки материалов ДЗЗ. В отличие от технологий обработки космической информации среднего и низкого разрешения (30 - 1000 м), получаемой от КА «Ресурс-01», «Метеор-ЗМ», «Оке-ан-О», NOAA и предназначенной для обновления карт масштабов 1:200000 -1:1000000, необходимо учитывать специфические особенности формирования видеоданных и более точно определять пространственные координаты элементов изображения с целью картографирования территорий в масштабе не менее 1:10000.

В работе дается решение важной научно-технической проблемы, связанной с разработкой прецизионных методов и полнофункциональных технологий геометрической обработки изображений от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения. Работа направлена на повышение эффективности использования систем ДЗЗ и удовлетворение постоянно растущих требований потребителей по оперативности и точности результатов обработки.

Степень разработанности темы. Вопросам геометрических преобразований данных дистанционного зондирования Земли посвящены труды таких выдающихся отечественных и ,,туя'>агмн\ Y""ul-'v "" Лобанов А.Н, Урма-ев М.С., Агапов C.B., Журкин И.Г., Киенк0 юп>

! ММИОГСКА |

•SSs&tl

Погорелов В.В., Huang Т., Jordan L., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld А. Наряду с ними большой опосредованный вклад в теорию геометрических преобразований космических изображений сделали разработчики теории орбитального движения КА - Тихонравов М.К., Яцунский И.М., теории фигуры и гравитационного поля Земли - Молоденский С.М., Грушинский Н.П., методов математической картографии - Бугаевский J1.M., J.P.Snyder. В основе современных методов обработки космических изображений лежат закономерности, полученные этими учеными.

Однако область знаний, связанная с обработкой космических снимков, непрерывно развивается. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, системы ДЗЗ постоянно совершенствуются, и часто для их построения используются принципиально новые физические основы и конструктивные решения, а, с другой стороны, требования потребителей к точности обработки неуклонно повышаются. То есть возникает необходимость в разработке высокоточных методов и технологий геометрической коррекции изображений, учитывающих особенности построения новых систем ДЗЗ. Достаточно сказать о том, что использование стандартных пакетов обработки аэрокосмических изображений, таких как «Фотоплан», Erdas, ErMapper и др., возможно только при решении узкого круга задач, поскольку в них используются обобщенные модели съемки, не учитывающие многоматричную структуру построения сканирующих устройств. Кроме того, одной из особенностей известных технологий геометрической обработки сканерной информации является недостаточная точность определения координат объектов изображения (5-10 пикселей при размерах пикселя на местности 30-40 м), что ограничивает применение используемых в них моделей для систем высокого пространственного разрешения. Поэтому важной задачей является проектирование высокоточных моделей геометрической коррекции, наиболее полно учитывающих весь спектр искажающих факторов, реализующих структурное восстановление изображений и обеспечивающих точность геопривязки видеоданных не менее одного метра.

Практически отсутствуют публикации по вопросам разработки методик априорной и апостериорной оценки геометрической точности видеоинформации, а также методам калибровки сканирующих устройств цо результатам съемки тестовых полигонов.

Недостаточно исследованными являются задачи, связанные с трансформированием сканерных изображений по цифровым моделям рельефа и высокоточным геодезическим ориентированием маршрутов съемки при ограниченном числе опорных данных. В этом отношении оперативное решение вопросов координатного обеспечения наблюдаемых объектов и картографирование больших площадей, имеющих слабое топогеодезическое обеспечение, являются исключительно актуальными задачами.

Целью диссертации является разработка методов и технологий геометрических преобразований космических изображений, получаемых отечественными оптико-элеетронньши^щдгемами ДЗЗ высокого разрешения, и создание на их основе для "¿¡данных» ¿центров полнофункционального программного

! »л И о»*'

t "

обеспечения, способного решать задачи мелкомасштабного и крупномасштабного картографирования земной поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

- обоснование направлений создания прецизионных технологий обработки спутниковых изображений высокого пространственного разрешения;

- проектирование высокоточных моделей, описывающих процессы формирования и геопривязки изображений от многоматричных сканерных систем;

- разработка методов трансформирования и ортотрансформирования одиночных и перекрывающихся снимков, а также оценки точности результатов обработки;

- реализация полнофункциональных технологий в программном обеспечении геометрической обработки видеоинформации от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые дается систематизированное решение крупной научной задачи, связанной с созданием математических и методологических средств высокоточной обработки видеоинформации от спутниковых систем нового принципа построения. Это предопределяется тремя главными обстоятельствами. Во-первых, применением всей совокупности данных, получаемых об угловом и линейном движении КА, систем навигации и астроориентации, наземных и летных калибровочных испытаний съемочной аппаратуры для построения высокоточных моделей координатной привязки изображений. Во-вторых, комплексным использованием орбитальных параметров, опорной информации и цифровых матриц рельефа при геометрических преобразованиях как одиночных изображений, так и совместной обработке блока перекрывающихся снимков. В-третьих, использованием данных о точностных характеристиках систем КА для получения достоверных априорных и апостериорных геометрических параметров изображений.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

1. Геометрические модели формирования и геопривязки сканерных изображений высокого пространственного разрешения, включающие:

- высокоточную модель съемки и геопривязки изображений земной поверхности;

- модель структурного восстановления изображений по орбитальным данным;

- метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы по минимальному объему опорной информации;

- методику уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по тестовым полигонам.

2. Методы и алгоритмы геометрической обработки спутниковой информации, а именно:

- методику априорной оценки точности трансформирования снимков по орбитальным данным;

- метод ортотрансформирования с использованием локальной модели рельефа;

- алгоритм обработки блока космических изображений.

3. Структурные и алгоритмические решения по проектированию систем и технологий высокоточных геометрических преобразований космических изображений, в том числе:

- алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик;

- структурные и информационные модели построения систем обработки;

- результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности создаваемых технологий.

Практическая ценность. Работа имеет важное практическое значение, поскольку на основе разработанных методов, моделей, алгоритмов и технологий спроектировано семейство программных систем обработки космических изображений, получаемых с КА «Аркой» («OrthoScan»), «Монитор-Э» («NormScan»), «Ресурс-ДК» («OrthoNormScan»). Эти системы эксплуатируются в Федеральном центре Роскосмоса в г.Москве, Координационно-аналитическом центре ГКНПЦ им. М.В.Хруничева и войсковой части 54023.

По результатам использования программных систем при выполнении работ по высокоточной обработке материалов ДЗЗ получены следующие оценки эффективности их применения: до 70 % сокращаются затраты на выполнение дорогих полевых работ, связанных с получением опорных данных о местности, и до 90 % сокращается трудоемкость выполнения операций привязки изображений к картографической основе.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением альтернативных подходов по обработке материалов ДЗЗ с использованием системы «OrthoScan», с одной стороны, и программных комплексов «Фотоплан» и «Erdas», с другой, а также положительными результатами приемо-сдаточных испытаний и опытной эксплуатации созданных систем при обработке данных К А «Аркон».

Реализация и внедрение. Диссертационная работа включает в себя исследования, выполненные в рамках государственного контракта с Российским федеральным космическим агентством №756-5505.99, ОКР № 25/ЦКТ, ОКР № 134/03, ОКР № 4-00 и ОКР № 20-03.

Результаты диссертационной работы в виде математического и программного обеспечения внедрены в Научном центре оперативного мониторинга Земли, ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, войсковой части 54023, что подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющие основное содержание диссертации, докладывались на 4-х международных и 3-х всероссийских конференциях и семинарах:

3-й и 4-ой междунар. н.-тех. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 2000г., 2003г.), IX всероссийск. н.-тех. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании»

(г. Рязань, 2004 г.), II всероссийск. н.-тех. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004 г.), междунар. молодежи, н.-тех. конф. «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2004 г.), 13-я междунар. н-тех. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004 г.), вторая военно-науч. конф. космических войск (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 5 статей, 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 153 е., в том числе: основное содержание - 140 с., 34 рисунка, 1 15 таблиц, список литературы на 9 с. (79 наименований), приложение - 4 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрены принципы формирования оптико-электронных изображений и задачи по их геометрической коррекции; отмечены узкие места известных разработок, используемых в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения; сформулированы предложения по созданию высокоточных методов и технологий геометрической обработки видеоданных высокого пространственного разрешения

Процесс формирования сканерных изображений в системах ДЗЗ сопровождается сложными физическими явлениями и зависит от большого числа детерминированных и случайных искажающих факторов. В результате их действия существенно изменяются геометрические соотношения между элементами изображения и одноименными точками земной поверхности. Поэтому перед передачей потребителям материалы съемки должны подвергаться геометрической коррекции, направленной на установление взаимно однозначного координатного соответствия между объектами земной поверхности и их образами на снимке, с представлением результата в виде картографического измерительного ' документа. В общем виде такая обработка выполняется на основе математиче-

ских соотношений х-¥х(т,п) и у = ?у(т,п), устанавливающих взаимосвязь

между пикселами преобразованного <1(х,у) и исходного Ь(х,у) изображений,

(1^х{т,п)^у{т,п)} =Ь{т,п),т = 1М, л = ЦУ. (1)

Уравнения Р, и ¥у определяют на основе математической модели, описывающей процесс формирования видеоданных сканирующим устройством в условиях орбитального полета спутника. В этой связи рассмотрены принципы функционирования систем ДЗЗ низкого и среднего пространственного разрешения.

Показано, что для достижения высокого пространственного разрешения в системах ДЗЗ типа «Монитор-Э», «Аркон», «Ресурс-ДК», 1ЯБ-1С и др. используется ряд новых конструктивных решений. Во-первых, для съемки используются многоматричные сканеры, которые состоят из десятков накопительных ПЗС-матриц, расположенных в фокальной плоскости с небольшим взаимным перекрытием в продольном направлении и со сдвигом друг относительно друга в поперечном направлении (см. рисунок) Во-вторых, формирование кадровой развертки может осуществляться как путем пассивного сканирования вдоль орбиты, так и за счет дополнительного сложного движения съемочной системы по заданному закону. Сформулирован перечень основных задач геометрических преобразований изображений от систем подобного типа.

а) формирование изображения б) исходное изображение

Рисунок - Структура изображения, получаемого оптико-электронной съемочной системой высокого разрешения

Проведен анализ известных моделей и технологий координатной обработки изображений, спроектированных для систем ДЗЗ низкого и среднего пространственного разрешения. Показано, что эти разработки не отвечают требованиям по точности геопривязки видеоданных, не учитывают многоматричную структуру построения сканирующих датчиков, не позволяют реализовать технологии получения ортопланов и мозаичных изображений. Сформулированы требования к математической модели оптико-электронной съемочной системы. Сделан вывод о том, что высокую точность обработки оптико-электронных снимков можно обеспечить за счет совместного применения аналитической модели и метода геодезического ориентирования по опорным точкам.

Анализ методов оценки качества изображений показал, что в публикациях уделяется мало внимания априорной оценке качества изображений, хотя она

является актуальной как для потребителей информации ДЗЗ, так и для разработчиков КА ДЗЗ. Установлено, что для решения этой задачи следует разработать метод, который на основе априори известных точностных характеристик систем КА позволит определить ошибку геодезической привязки изображения к абсолютной системе координат и ошибку взаимного положения контуров на изображении.

Выполнен анализ методов обработки блока перекрывающихся изображений. Показано, что традиционное построение блочной триангуляции требует больших ресурсов и не позволяет уравнивать изображения, полученные различными съемочными системами. Для картографирования значительных территорий по изображениям, получаемым от различных оптико-электронных систем, необходимо разработать подход, который бы не накладывал ограничений на размер блока и был бы инвариантен к типу изображений, включенных в блок.

Сформулированы предложения по созданию высокоэффективных технологий геометрической обработки изображений от существующих и вновь проектируемых российских КА высокого разрешения.

Во второй главе разрабатываются математические модели съемки земной поверхности и структурного восстановления непрерывного изображения из отдельных перекрывающихся фрагментов, а также методы повышения точности модели геопривязки видеоданных на основе уточнения параметров внешнего и внутреннего ориентирования съемочной системы

Разработана модель съемки земной поверхности, которая лежит в основе всех методов и алгоритмов геометрической обработки изображений и позволяет реализовывать технологию геопривязки и трансформирования видеоданных по орбитальным параметрам. Модель в общем виде представлена уравнением (2) и включает: геометрическую модель съемочной системы; модель орбитального движения центра масс КА; модель движения съемочной системы вокруг центра масс; модель Земли (статическую и динамическую),

х = ?х{т,п,к,Ъ,Хт,у = ¥у(т,пЛЬ,\т,ат,Р), (2)

где А - высота точки на местности; Т) = \/,хй,уй,с11,...,с1ь\- фотограмметрические параметры съемочной системы (фокусное расстояние, координаты главной точки, параметры суммарной дисторсии съемочной системы);

\т =[ Л"°,У°,2°] - вектор пространственного положения КА; Пт = [ог,<иД]-вектор углового положения съемочной системы; Рт = [р),/>2 >•••]- параметры, описывающие картографическую проекцию и земной эллипсоид.

Модель фотограмметрических параметров описывает искажения, вносимые неточным определением фокусного расстояния /, координат главной точки (т0,п0) и дисторсии объектива съемочной системы.

Модель орбитального движения представлена дифференциальными уравнениями второго порядка:

д2х X дК „ д2У У дЯ д2г 2 9Я л дГ г3 ЗХ г3 дУ дг г3 дг

где ц - геоцентрическая гравитационная постоянная; Я - пертурбационная функция; Я = У-УСф', V- потенциал реальной Земли; Усф - потенциал сферической Земли; ()х, <22 - возмущающее сопротивление атмосферы.

Получение вектора углового положения съемочной системы £1т выполняется для каждой строки изображения путем решения следующей системы уравнений:

/ ч За .. да .. дк

ОТ ¿7/ ОТ

где а0, о>0, к0,- угловые элементы ориентирования съемочной системы на начало съемки; да/д1, да/дг,дк/3? - угловые скорости.

Для определения координат точек земной поверхности, наблюдаемых на снимке, совместно решаются уравнение прямой фотограмметрической засечки и модифицированное уравнение земного эллипсоида, представленное в геоцентрической системе координат,

X2 + У2 + г2 +е\г2 =(а,+1г?, (5)

где ¿2> аз" квадрат второго эксцентриситета и большая полуось земного эллипсоида соответственно.

В качестве модели параметров Земли и картографических проекций положена схема описания и кодирования систем координат РОвС/ЕРЗО, принятая также в спецификации формата ОеоТ1РР и доработанная с учетом специфики использования в российских системах координат системы «нормальных» высот, в отличие от «ортометрических», используемых в зарубежных системах.

Разработана модель структурного восстановления непрерывного изображения из отдельных фрагментов, формируемых многоматричным сканером (см. рисунок). Модель основана на аппроксимации уравнений геопривязки видеоданных от каждой ПЗС-матрицы (2) и описывает параметры взаимного перекрытия фрагментов в виде полиномов второй степени, задающих продольное а(1) и поперечное Ь(() смещение соседних изображений, а также их взаимный разворот <р(1) для заданного момента времени /.

Модель апробирована на реальной информации, полученной от КА «Ар-кон». На ее базе реализован ряд важных технологических операций, связанных с оперативным синтезом непрерывного изображения на этапе каталогизации поступающих на приемный центр потоков видеоданных и формированием выходных информационных продуктов всех уровней обработки.

Разработан метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движений съемочной системы, в котором число используемых опорных точек существенно сокращается за счет применения точной динамической модели данных об орбитальном и угловом движении КА и данных о точ-

ностях параметров орбитального и углового движения. Согласно этому методу по уравнениям (2) для каждой опорной точки (x,y,h),, отождествленной на местности, составляются линеаризованные уравнения

Ai<5Pm=L,+V„ (6)

где А-- матрица частных производных измеряемых величин (х,у,h): по определяемым параметрам Рга = [X, У, Z, а, а,к\; SPm- вектор поправок к определяемым параметрам; L, - вектор свободных членов; V,- погрешности координат, обусловленные ошибками систем навигации и ориентации КА. Для их решения используется итерационный метод Ньютона в сочетании со способом наименьших квадратов. Для этого составляется система нормальных уравнений (ArQ^ А + Qm)5Pm = A.TQxyhL, (7)

где Q^ft- весовая матрица параметров внешнего ориентирования, a Qxyh - матрица, учитывающая неравноточность измерений координат на разномасштабных картах или GPS - измерений.

На каждой j- ой итерации определяются поправки к параметрам

внешнего ориентирования =(ArQjg,AA + Qfii)~1ArQ;(J,AL и сами значения параметров Vvil] = Ppi^-i + <®Vny • Итерационный Процесс заканчивается при стабилизации ошибки единицы веса [(l/Q^L^ -(LTQJ9,AL)y_,|<£'. Уточненные элементы внешнего ориентирования Рга используются при решении

задач ортотрансформирования изображений и обработки блока изображений.

Предложен алгоритм использования линейных объектов местности в качестве опорных данных, в котором предлагается линейный объект задавать в виде 2-х коррелируемых точек местности. В этом случае опорное направление может быть представлено корреляционной матрицей и использовано в задаче геодезического ориентирования, аналогично опорным точкам,

at2 О О ouf

, {at} » m/,2, и = 1,2), где at,ой - СКО координат вдоль и по-

перек опорного направления.

Разработана методика калибровки параметров внутреннего ориентирования съемочной системы на основе участков местности, имеющих точную картографическую основу. Калибровка выполняется в несколько этапов. На первом этапе обрабатываются отдельные сканы по методу дифференциального уточнения параметров внешнего ориентирования. На втором этапе выполняется статистическая обработка результатов уточнения параметров ориентирования отдельных сканов для заданного интервала времени. Для этого по каждому из определяемых параметров р составляются «взвешенные» суммы-

^=£(атЧ) . ^=£(1/^), л-;=£(Р2М) .

ы = 1 и 1=1 и и—\ и

где и - общее число скаиов, принятых в обработку. Значение параметра р вычисляется по формулам р = Б, аР ~ Р ■

На третьем этапе по изображениям контрольного полигона, отличного от полигона калибровки, выполняется оценка достоверности полученных параметров. Критерием достоверности параметров на к-ом шаге является выполнение условия повышения точности полученных координат по сравнению с координатами, полученными на (к- 1)-ом шаге калибровки,

< [^¿(а^Д*2)

где Дх,2, Ду2 - невязки координат контрольных точек тестового полигона.

В третьей главе предложены единая методика для оценки априорных и апостериорных точностных характеристик изображений и метод ор-тотрансформирования космических изображений, обеспечивающий прямое вычисление геодезических координат элементов изображения Разработан комплекс алгоритмов геометрического совмещения блока перекрывающихся снимков

Разработана методика оценки точности изображений, основанная на методе статистических испытаний (методе Монте-Карло). Методика базируется на принятых в международной практике критериях оценки геометрического качества сканерной информации и позволяет оценить суммарную ошибку определения координат пикселей преобразованного изображения (точность геопривязки <Tg) и ее случайную составляющую (точность взаимного положения контуров (г„) в соответствии с формулами:

I Г U ' У / V Л Г Г .

и J=1 /=1 У Ы ;=1 1-1

(8)

где Ах^ =х,-х*, Дуу = у,-- разности детерминированных и возмущенных координат / точек местности, полученных в J испытаниях; Ахц = Дху - Д*,

_ _ 1 у 7 _ 1 ' -Ду. ^=7;! • АУ=~,т! 1>у •

у=1 <=1 •>' у=1 /=1

Методика позволяет оценить вклад ошибки каждого искажающего фактора в суммарную ошибку, что важно при получении априорных геометрических характеристик видеоинформации и при проектировании новых систем ДЗЗ с точки зрения прогнозирования их тактико-технических параметров.

Предложен метод ортотрансформирования изображений, в котором определение координат точек местности осуществляется путем совместного решения уравнения проектирующего луча с локальным участком рельефа, имеющим аналитическое описание. Показана эффективность предложенного метода по отношению к традиционному походу.

Для описания локального участка земной поверхности предложено использовать уравнение третьей степени

Ь-Щс^у'. (9)

1=0¡=о

При построении модели рельефа вводятся априорные данные о характере рельефа, которые представляются в виде корреляционной матрицы, построенной для сетки (М) равномерно расположенных пикетных точек,

К hp -

1 rp\,2 ■••• rpU rp2,l 1 •■•■ rp2,J

rpJ, 1 rpJ, 2 •••• 1

(10)

Здесь в качестве корреляционной функции предлагается функция вида г = е~г 3S/r, где S - расстояние между точками, г- длина радиуса корреляции, 2.3 - коэффициент, соответствующий /-<0.1. Показано, что корреляционная функция достоверно описывает поле искажений случайной величины при функциональной зависимости дисперсии от расстояния между точками. Величина ahp задает характер многочлена в области, ограниченной thp, a xhp задает размер площадки, на которой многочлен должен сохранять требуемые свойства.

Для определения коэффициентов полинома (9) составляется система нормальных уравнений вида

(ФгК^Ф + К^)С = ФгКй!Н, (11)

где Ф = [Ф[,...,ФПГ; Ф, =[1 ,х,у,х2 ,у2 ,х2у,ху2 ,хг,y3]J; Кс = GKhpGT-матрица коэффициентов полинома;

Точность построения локальной модели рельефа в произвольной точке к оценивается средней квадратичной ошибкой аЪк=-^ФкКсФтк , где Kg = (ФгКд'Ф + К^ )-1 - обратная матрица системы уравнений (11).

Разработаны алгоритмы построения блочной триангуляции. Основной замысел построения блока снимков заключается в реализации связей между парами m,m перекрывающихся снимков посредством общих точек. Ориентирование блока изображений выполняется итерационным способом. На каждой итерации выполняется геодезическое ориентирование одиночных изображений. При этом в качестве опорных данных используются уточненные координаты общих точек местности и опорные точки. Такой подход позволяет объединять в блоке изображения, полученные разнотипными съемочными системами.

Вычисление координат общих точек для снимков mum выполняется по формулам прямой фотограмметрической засечки с использованием средней высоты местности. По вычисленным координатам определяются средне-

взвешенные значения координат общей точки

*/ = {р?*7 + р?'х? )/(рТ + р?'), У,= (рТуТ + Р?'у?'У(.Р? + Р?'), где рТ = \/(с^у)2, р™' = \!(а%)г веса плановых координат общих точек для снимков т и т .

Средние координаты общих точек при выполнении геодезического ориентирования снимков т и т добавляются к координатам опорных точек местности с весами р"т' = 1/ [(<,)*+(<,')2] •

Предложены два набора показателей, характеризующих точность объединения снимков в блок. Первый из них оценивает качество связей изображений в блоке в виде систематической и среднеквадратической ошибки невязок координат общих точек. Второй показатель позволяет оценить качество геодезической привязки контуров к абсолютной системе координат. Приводятся соотно- » шения для расчета этих показателей.

В четвертой главе рассматриваются вопросы реализации в программном обеспечении разработанных модели съемки, методик и алгоритмов; предлагается унифицированный алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений, используемый на всех этапах обработки изображений; экспериментально доказывается работоспособность и высокая эффективность предложенных технологий

Предложен унифицированный алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений опорной информации на основе порядковых статистик, позволяющий повысить достоверность и точность вычисления параметров геометрической обработки изображений.

Показано, что программное обеспечение (ПО) обработки космической информации, отвечающее современным требованиям, помимо решения специальных задач, изложенных в предыдущих главах, должно работать с большими потоками данных (десятки Гбайт), поддерживать различные растровые, векторные и числовые форматы представления как самих космических изображений, так и геопространственных данных, реализовывать преобразования изображений в различные картографическое проекции, выполнять геокодирование объектов местности и обладать мощным вспомогательным и сервисным инстру- , ментарием. В диссертации предлагается структурная схема программного обеспечения, удовлетворяющего выдвинутым требованиям.

В основе ПО лежат две базовые компоненты, отвечающие за управление (ядро управления) и информационное обеспечение (информационное ядро). Функциональные компоненты входят в систему по правилам, установленным базовыми компонентами. Наиболее эффективным механизмом для организации функциональных компонент с точки зрении интеграции программ, написанных разными разработчиками на разных языках, являются сШ - библиотеки, в описании интерфейсной части которых устанавливаются правила их взаимодействия с управляющим ядром и друг с другом. Опыт разработки программной сис-

темы подтвердил эффективность объединения программ, написанных в системах программирования Visual С, Bulder (язык С++) и Delphi (язык Pascal).

На базе предложенной схемы реализовано семейство программных систем «OrthoScan», «NormScan», «OrthoNormScan» и др., предназначенных для обработки информации от КА «Аркон», «Монитор-Э» и «Ресурс-ДК». Эти системы используются в Научном центре оперативного мониторинга Земли, ГКНПЦ им. М.В. Хруннчева и в/ч 54023.

Выполнены экспериментальная апробация и оценка эффективности разработанных методов и технологий геометрической обработки изображений. В результате установлено, что:

■ метод дифференциального уточнения параметров внешнего ориенти-л рования обеспечивает высокоточную геопривязку протяженных маршрутов по

4-м и даже по 2-м опорным точкам;

■ опорное направление, в зависимости от его ориентации, может превосходить по информативности опорную точку при определении углов ориентирования;

• метод ортотрансформирования обладает высокой производительностью и надежностью определения координат элементов земной поверхности, в том числе при экстремальных условиях съемки под углом наклона до 84

Экспериментально подтверждена возможность уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по снимкам земной поверхности при наличии точных данных об угловом положении и движении КА и точных топографических карт на снимаемую территорию.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен комплексный анализ проблемы точных геометрических преобразований космических изображений. Показано, что используемые в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения методы и модели обработки не могут быть применены для коррекции видеоданных высокого пространственного разрешения, поскольку не обладают необходимой точностью, не учитывают специфику формируемых изображений и не обеспечивают функциональной полноты решаемых задач. Сформулированы направления по созданию высокоточных методов и полнофункциональных технологий обра-

^ ботки изображений от существующих и вновь проектируемых российских сис-

тем ДЗЗ высокого разрешения.

2. Разработана прецизионная модель сканерной съемки земной поверхности, основанная на строгом математическом описании процессов формирования видеоданных в условиях орбитального полета КА и позволяющая рассчитать геоцентрические и картографические координаты каждого пикселя исходного изображения. В отличие от моделей, используемых в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения, полученные соотношения учитывают искажающее действие оптоэлектронного тракта, линейное и угловое движение спутника, измеряемое высокоточными навигационными системами и системами астроориентации, фигуру Земли и ее гравитационного поля, а также сред-

нюю высоту местности и динамическую модель атмосферы. Модель спроектирована в унифицированном виде, используется для всех типов систем ДЗЗ высокого разрешения и лежит в основе технологии обработки изображений по орбитальным данным.

3. Получена математическая модель геометрического восстановления непрерывного изображения из отдельных перекрывающихся фрагментов, формируемых многоматричными сканирующими датчиками. Модель описывает топологию построения оптико-электронной съемочной системы высокого пространственного разрешения и позволяет рассчитать параметры взаимного перекрытия фрагментов на основе аппроксимации уравнений геопривязки видеоданных от каждой ПЗС-матрицы.

4. Предложен и экспериментально исследован метод дифференциального уточнения орбитального и углового движения съемочной системы, в котором за счет использования полной модели съемки, измерений от систем навигации и астроориентации, а также данных об их точностях, удается уменьшить число используемых опорных точек до четырех. Метод позволяет реализовать технологию высокоточного спутникового картографирования территорий, имеющих ограниченное топогеодезическое обеспечение.

5. Предложен алгоритм использования линейных объектов в качестве опорных данных, согласно которому опорное направление, рассчитываемое по линейному объекту, представляется корреляционной матрицей, используемой в задаче уточнения параметров внешнего ориентирования съемочной системы, аналогично тому, как это осуществляется при применении опорных точек.

6. Разработана методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы, позволяющая повысить точность геопривязки видеоданных за счет компенсации искажающих факторов, связанных с деформацией оптической системы и фокальной плоскости, и основанная на статистической обработке контрольных измерений, получаемых при съемке опорных полигонов, и отделении систематических ошибок от случайных.

7. Предложена единая методика для оценки априорных и апостериорных геометрических характеристик исходных и обработанных по орбитальным параметрам изображений, основанная на методе статистических испытаний Монте-Карло и позволяющая оценить как адекватность моделей обработки, так и корректность их программной реализации. Методика базируется на принятых в международной практике критериях оценки геометрического качества сканер-ной информации в виде систематической (точность геопривязки) и случайной (точность взаимного положения контуров) составляющих ошибки определения координат пикселей изображения.

8. Предложена технология ортотрансформирования космических изображений, основанная на совместном решении уравнения прямой фотограмметрической засечки с уравнением, описывающим рельеф локального участка земной

' поверхности. Экспериментально подтверждено, что метод обеспечивает высокоточное и надежное определение координат точек местности при экстремаль-

ных условиях съемки, выполненной под углом наклона 84 ° к плоскости горизонта.

9. Разработан алгоритм совместной обработки блока перекрывающихся снимков, в котором принцип объединения изображений основан на методе дифференциального уточнения параметров внешнего ориентирования одиночных кадров с привлечением в качестве дополнительных измерений координаты связующих точек, определяемых по перекрывающимся изображениям. Предложенный подход не накладывает ограничений на размеры блока одновременно обрабатываемых снимков и позволяет реализовать технологию получения бесшовного мозаичного кадра требуемой территории по изображениям от различных систем ДЗЗ.

10. Решена задача практической реализации разработанных в диссертации методов и технологий геометрической обработки видеоинформации высокого пространственного разрешения: предложен унифицированный алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений на основе порядковых статистик; разработана гибкая структура программного обеспечения геометрической обработки спутниковых видеоданных, охватывающая весь перечень решаемых задач и позволяющая конфигурировать различные технологические операции координатных преобразований изображений. На базе предложенной структуры спроектировано семейство программных систем геометрической обработки материалов съемки от существующих и планируемых к запуску КА «Монитор-Э», «Аркой», «Ресурс-ДК» и др.

По результатам экспериментальной апробации на реальной и модельной информации установлено явное преимущество предложенных в диссертации технических решений по сравнению с традиционными подходами, использующими обобщенные модели съемки.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гомозов O.A., Корноухов К.В., Погорелов В.В., Чумаков C.B. Использование линейных объектов карт при внешнем ориентировании фотоснимков // Геодезия и картография. 1993. № 4. С. 24-29.

2. Гомозов O.A., Колесников В.Н., Погорелов В.В. Выявление грубых измерений с использованием порядковых статистик // Геодезия и картография. 1994. №7. С. 24-29.

3. Гомозов O.A., Лось В.В„ Сухов A.A. Современные требования к составу и точностным характеристикам бортовых систем КА ДЗЗ, выдвигаемые наземными средствами обработки // Тез. докл. 3-й междунар. научн.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2000. С. 301-302.

4. Гомозов O.A., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е. Концепция построении технологий обработки данных от космической системы «Монитор-Э» // Тез. докл. 4-й междунар. науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2003. С. 300.

5. Гомозов O.A., Лось В.В., Сухов A.A. Современные методы решения координатных задач по космическим изображениям высокого пространствен-

ного разрешения // Тез. докл. 4-й междунар науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2003. С. 285-287.

6 Гомозов O.A. Оценка влияния ошибок оптико-электронных систем КА ДЗЗ на точность геометрической обработки изображений. Рязань: РГРТА, 2004. 11 с. Деп. в ВИМИ 03.09.04, № ДО-8957.

7. Гомозов O.A. Модель геометрических преобразований спутниковых изображений высокого пространственного разрешения // Тез. докл. IX всерос-сийск. науч.-техн. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании». Рязань, 2004. С. 178.

8 Гомозов O.A. Методология высокоточных геометрических преобразований космической информации ДЗЗ, получаемой оптико-электронными системами высокого пространственного разрешения // Междунар. молодежи, науч.-техн. кофн. «XXX Гагаринские чтения». М., 2004. С. 401-402.

9. Гомозов O.A., Лось В.В., Сухов A.A., Соловьева К.К., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е. Технологии обработки данных от оптико-электронных спутниковых систем высокого разрешении // Тез. докл. «2-я воен.-науч. конф. космических войск. BKA им. А.Ф. Можайского». 2004. С. 38-39.

10. Гомозов O.A., Лось В.В. Уточнение параметров внутреннего ориентирования оптико-электронного съемочного устройства по снимкам земной поверхности // Тез. докл. 13-й междунар. науч.-тезн. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, 2004. С. 196-197.

11. Гомозов O.A. Аналитическое решение прямой фотограмметрической засечки при ортотрансформировании снимков // Тез. докл. 13-й междунар. на-учн.-техн. конф. «Проблемы передачи и обработка информации в сетях и системах телекоммуникации». Рязань, 2004. С. 102-103.

12. Гомозов O.A., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Лось В.В., Соловьева К.К., Сухов A.A. Обработка космических изображений высокого пространственного разрешения, получаемых оптико-электронными КА ДЗЗ // Тез. докл. II вссроссийск. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва ИКИ РАН, 2004. С. 39-41.

13. Гомозов O.A., Кузнецов А.Е., Лось В.В., Пресняков O.A. Структурное восстановление изображений, формируемых многоматричными сканирующими датчиками // Методы и устройства формирования и обработки сигналов в ин- / формационных системах. Межвуз. сб. научн. тр. Рязань: РГРТА, 2004. С. 88-96.

14. Гомозов O.A. Разработка программного обеспечения обработки материалов космической съемки высокого пространственного разрешения. Рязань: РГРТА, 2004. 14 с. Деп. в ВИМИ 03.03.04, № ДО-8945.

Гомозов Олег Анатольевич

МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКОЙ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ ОТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 29.04.05г. Формат бумаги 60x80 1/16. Бумага офисная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский центр Рязанской государственной радиотехнической академии. 390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

№ -9 222

РНБ Русский фонд

2006-4 5497

i

Введение.

1 Анализ современного состояния методов и технологий геометрических преобразований космических изображений от оптико-электронных съемочных систем.

1.1 Общая схема съемки и задачи геометрической коррекции оптико-электронных изображений земной поверхности.

1.2 Анализ моделей и технологий координатной обработки космических изображений.

1.3 Предложения по созданию систем и технологий геометрической обработки данных ДЗЗ высокого пространственного разрешения.

Основные результаты.

2 Модели формирования и геопривязки снимков высокого пространственного разрешения.

2.1 Прецизионная модель съемки земной поверхности.

2.2 Структурное восстановление изображения.

2.3 Метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы.

2.4 Методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы.

Основные результаты.

3 Методы и алгоритмы геометрической обработки спутниковой информации.

3.1 Методика оценки точности геометрической обработки по орбитальным параметрам.

3.2 Метод ортотрансформирования космических изображений с использованием локальной модели рельефа.

3.3 Обработка блока оптико-электронных космических изображений.

Основные результаты.

4 Реализация систем и технологий высокоточных геометрических преобразований космических изображений.

4.1 Фильтрация грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик.

4.2 Проектирование программного обеспечения систем геометрической обработки видеоданных.

4.3 Результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности технологий обработки изображений.

Основные результаты.

Актуальность работы. До недавнего времени съемка земной поверхности с высоким пространственным разрешением (1 м и менее) выполнялась с помощью фотографических спутников, а получаемая информация использовалась, главным образом, для решения задач специального визуального наблюдения. Поэтому основным назначением, как самих съемочных систем, так и технологий обработки было получение изображения, обладающего высокими фотометрическими характеристиками. Фотограмметрические задачи, связанные с устранением геометрических искажений изображений, как правило, решались с использованием обобщенных моделей съемочной системы (кадровой, щелевой или панорамной) и большого количества опорных данных о местности, представленных в виде опорных точек и цифровых моделей рельефа. Космические снимки использовались для картографирования территорий, имеющих полное топогеодезическое обеспечение [1-3].

В настоящее время получают интенсивное развитие оптико-электронные космические системы мониторинга земной поверхности, основанные на новых принципах регистрации и передачи информации дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) [4, 5]. NASA (США) и Европейское космическое агентство прилагают беспрецедентные усилия по созданию группы искусственных спутников Земли, которая обеспечивала бы получение оперативной и высокоточной информации о земной поверхности. К их числу, в первую очередь, можно отнести ИСЗ с системами высокого пространственного разрешения - Ikonos, ObrView, QuickBird, Spot-5 [6-9].

Появление российских космических аппаратов (КА) с оптико-электронными системами высокого пространственного разрешения («Аркон», «Ресурс-ДК», «Монитор-Э»), оснащенных высокоточными системами навигации, выдвигает новые требования к методам обработки материалов ДЗЗ [10,

11]. В отличие от технологий обработки космической информации среднего и 4 низкого разрешения (30 - 1000 м), получаемой от КА «Ресурс-01», «Метеор-ЗМ», «Океан-О», NOAA и предназначенной для обновления карт масштабов 1:200000- 1:1000000, необходимо учитывать специфические особенности формирования видеоданных и более точно определять пространственные координаты элементов изображения с целью картографирования территорий в масштабе не менее 1:10000 [12-15].

В работе дается решение важной научно-технической проблемы, связанной с разработкой прецизионных методов и полнофункциональных технологий геометрической обработки изображений от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения. Работа направлена на повышение эффективности использования систем ДЗЗ и удовлетворение постоянно растущих требований потребителей по оперативности и точности результатов обработки.

Степень разработанности темы. Вопросам геометрических преобразований данных дистанционного зондирования Земли посвящены труды таких выдающихся отечественных и зарубежных ученых как Лобанов А.Н, Урма-ев М.С., Агапов С.В., Журкин И.Г., Злобин В.К., Тюфлин Ю.С., Погорелов В.В., Киенко Ю.П., Huang Т., Jordan L., Kronberg P., Pratt W., Rosenfeld А. Наряду с ними большой опосредованный вклад в теорию геометрических преобразований космических изображений сделали разработчики теории орбитального движения КА — Тихонравов М.К., Яцунский И.М., теории фигуры и гравитационного поля Земли — Молоденский С.М., Грушинский Н.П., методов математической картографии — Бугаевский JI.M., J.P.Snyder. В основе современных методов обработки космических изображений лежат закономерности, полученные этими выдающимися учеными [2, 16-24].

Однако область знаний, связанная с обработкой космических снимков, непрерывно развивается. Это обусловлено тем, что, с одной стороны, системы

ДЗЗ постоянно совершенствуются, и часто для их построения используются 5 принципиально новые физические основы и конструктивные решения, а, с другой стороны, требования потребителей к точности обработки неуклонно повышаются. То есть возникает необходимость в разработке новых методов и технологий геометрической коррекции изображений, учитывающих особенности построения новых систем ДЗЗ. Достаточно сказать о том, что использование стандартных пакетов обработки аэрокосмических изображений, таких как «Фотоплан», Erdas, ErMapper и др. [26, 27] возможно только при решении узкого круга задач, поскольку в них используются обобщенные модели съемки, не учитывающие многоматричную структуру построения сканирующих устройств. Кроме того, одной из особенностей известных технологий геометрической обработки сканерной информации [14] является недостаточная точность определения координат объектов изображения (5-10 пикселей при размерах пикселя на местности 30-40 м), что ограничивает применение используемых в них моделей для систем высокого пространственного разрешения. Поэтому важной задачей является проектирование высокоточных моделей геометрической коррекции, наиболее полно учитывающих весь спектр искажающих факторов, реализующих структурное восстановление изображений, и обеспечивающих погрешность геопривязки видеоданных не хуже одного метра.

Практически отсутствуют публикации по вопросам разработки методик априорной и апостериорной оценки геометрической точности видеоинформации [28, 29], а также методов калибровки сканирующих устройств по результатам съемки тестовых полигонов.

Недостаточно исследованными являются задачи, связанные с трансформированием сканерных изображений по цифровым моделям рельефа и высокоточным геодезическим ориентированием маршрутов съемки при ограниченном числе опорных данных. В этом отношении оперативное решение вопросов координатного обеспечения наблюдаемых объектов и картографирование больших площадей, имеющих слабое топогеодезическое обеспечение, являются исключительно актуальными задачами.

Целью диссертации является разработка методов и технологий геометрических преобразований космических изображений, получаемых отечественными оптико-электронными системами ДЗЗ высокого разрешения, и создание на их основе для приемных центров полнофункционального программного обеспечения, способного решать задачи мелкомасштабного и крупномасштабного картографирования земной поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

- обоснование направлений создания прецизионных технологий обработки спутниковых изображений высокого пространственного разрешения;

- проектирование высокоточных моделей, описывающих процесс формирования и геопривязки изображений от многоматричных сканерных систем;

- разработка методов трансформирования и ортотрансформирования одиночных и перекрывающихся снимков, а также оценки точности результатов обработки;

- реализация полнофункциональных технологий в программном обеспечении геометрической обработки видеоинформации от существующих и вновь проектируемых систем ДЗЗ высокого пространственного разрешения.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые дается систематизированное решение крупной научной задачи, связанной с созданием математических и методологических средств высокоточной обработки видеоинформации от спутниковых систем нового принципа построения. Это предопределяется тремя главными обстоятельствами. Во-первых, применением всей совокупности данных, получаемых об угловом и линейном движении КА, систем навигации и астроориентации, наземных и летных калибровочных испытаний съемочной аппаратуры, для построения высокоточных моделей координат7 ной привязки изображений. Во-вторых, комплексным использованием орбитальных параметров, опорной информации и цифровых матриц рельефа при геометрических преобразованиях как одиночных изображений, так и совместной обработке блока перекрывающихся снимков. В-третьих, использованием данных о точностных характеристиках систем КА для получения достоверных априорных и апостериорных геометрических параметров изображений.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

1. Геометрические модели формирования и геопривязки сканерных изображений высокого пространственного разрешения, включающие:

- высокоточную модель съемки и геопривязки изображений земной поверхности;

- модель структурного восстановления изображений по орбитальным данным;

- метод дифференциального уточнения параметров орбитального и углового движения съемочной системы по минимальному количеству опорной информации;

- методику уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по тестовым полигонам.

2. Методы и алгоритмы геометрической обработки спутниковой информации, а именно:

- методику априорной оценки точности трансформирования снимков по орбитальным данным;

- метод ортотрансформирования с использованием локальной модели рельефа;

- алгоритм обработки блока космических изображений.

3. Структурные и алгоритмические решения по проектированию систем и технологий высокоточных геометрических преобразований космических изображений, в том числе:

- алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений с использованием порядковых статистик;

- структурные и информационные модели построения систем обработки;

- результаты экспериментальных исследований и оценки эффективности создаваемых технологий.

Практическая ценность. Работа имеет важное практическое значение, поскольку на основе разработанных методов, моделей, алгоритмов и технологий спроектировано семейство программных систем обработки космических изображений, получаемых с КА «Аркон» («OrthoScan»), «Монитор-Э» («Norm-Scan»), «Ресурс-ДК» («OrthoNormScan»). Эти системы эксплуатируются в Федеральном центре Роскосмоса в г. Москве, Координационно-аналитическом центре ГКНПЦ им. М.В.Хруничева и войсковой части 54023.

По результатам использования программных систем, при выполнении работ по высокоточной обработке материалов ДЗЗ получены следующие оценки эффективности их применения: до 70 % сокращаются затраты на выполнение дорогих полевых работ, связанных с получением опорных данных о местности, и до 90 % сокращается трудоемкость выполнения операций привязки изображений к картографической основе.

Достоверность полученных результатов подтверждена сопоставлением альтернативных подходов по обработке материалов ДЗЗ с использованием системы «OrthoScan» с одной стороны и программных комплексов «Фотоплан» и «Erdas» с другой, а также положительными результатами приемо-сдаточных испытаний и опытной эксплуатации созданных систем при обработке данных КА «Аркон».

Реализация и внедрение. Диссертационная работа включает в себя исследования, выполненные в рамках государственного контракта с Российским федеральным космическим агентством № 756-5505.99, ОКР № 25/ЦКТ,

ОКР № 134/03, ОКР № 4-00 и ОКР № 20-03. 9

Результаты диссертационной работы в виде математического и программного обеспечения внедрены в Научном центре оперативного мониторинга Земли, ГКНПЦ им. М.В.Хруничева, войсковой части 54023, что подтверждается соответствующими актами, приведенными в приложении.

Апробация работы. Результаты исследований, составляющие основное содержание диссертации, докладывались на 4-х международных и 3-х всероссийских конференциях и семинарах:

3-й и 4-ой междунар. н.-тех. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (г. Рязань, 2000г., 2003г.), IX всероссийск. н.-тех. конф. «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании» (г. Рязань, 2004 г.), II всероссийск. н.-тех. конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004 г.), междунар. молодежи, н.-тех. конф. «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2004 г.), 13-й междунар. н-тех. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004 г.), второй военно-науч. конф. космических войск (г. Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: 5 статей, 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях и семинарах.

Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:

- в работах [55,56,67,69,74] автору принадлежат идеи по построению прецизионных технологий геометрической коррекции видеоинформации от спутниковых систем высокого пространственного разрешения;

- в работе [31 ] автором разработана модель структурного восстановления видеоинформации с использованием данных об орбитальном движении;

- в работах [37, 54] соискателем предложен алгоритм использования линейных объектов местности в качестве опорной информации и методика

10 фильтрации ошибок измерений на основе порядковых статистик;

- в работе [79] автором разработана методика оценки точности геометрической обработки изображений на основе метода статистических испытаний (метод Монте-Карло);

- в работе [68] автором предложена методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по снимкам земной поверхности;

- работы [51,66,72,78] выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 153 е., в том числе: основное содержание - 140 с., 34 рисунка, 15 таблиц, список литературы на 9 с. (79 наименований), приложение - 4 с.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем.

1. Выполнен комплексный анализ проблемы точных геометрических преобразований космических изображений. Показано, что используемые в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения методы и модели обработки не могут быть применены для коррекции видеоданных высокого пространственного разрешения, поскольку не обладают необходимой точностью, не учитывают специфику формируемых изображений и не обеспечивают функциональной полноты решаемых задач. Сформулированы направления по созданию высокоточных методов и полнофункциональных технологий обработки изображений от существующих и вновь проектируемых российских систем ДЗЗ высокого разрешения.

2. Разработана прецизионная модель сканерной съемки земной поверхности, основанная на строгом математическом описании процессов формирования видеоданных в условиях орбитального полета КА и позволяющая рассчитать геоцентрические и картографические координаты каждого пикселя исходного изображения. В отличие от моделей, используемых в системах ДЗЗ среднего и низкого пространственного разрешения, полученные соотношения учитывают искажающее действие оптоэлектронного тракта, линейное и угловое движение

136 спутника, измеряемое высокоточными навигационными системами и системами астроориентации, фигуру Земли и ее гравитационное поле, а также среднюю высоту местности и динамическую модель атмосферы. Модель спроектирована в унифицированном виде, используется для всех типов систем ДЗЗ высокого разрешения и лежит в основе технологии обработки изображений по орбитальным данным.

3. Получена математическая модель геометрического восстановления непрерывного изображения из отдельных перекрывающихся фрагментов, формируемых многоматричными сканирующими датчиками. Модель описывает топологию построения оптико-электронной съемочной системы высокого пространственного разрешения и позволяет рассчитать параметры взаимного перекрытия фрагментов на основе аппроксимации уравнений геопривязки видеоданных от каждой ПЗС-матрицы.

4. Предложен метод дифференциального уточнения орбитального и углового движения съемочной системы, в котором за счет использования полной модели съемки, измерений от систем навигации и астроориентации, а также данных об их точностях удается уменьшить число используемых опорных точек до четырех. Метод позволяет реализовать технологию высокоточного спутникового картографирования территорий, имеющих ограничения по топогеоде-зическому обеспечению.

Экспериментально подтверждена возможность обработки протяженных маршрутов съемки (порядка 100 км) по минимальному количеству опорных точек с сохранением точности по всему маршруту.

5. Предложен алгоритм использования линейных объектов, наблюдаемых на обрабатываемой сцене, в качестве опорных данных, согласно которому опорное направление, рассчитываемое по линейному объекту, представляется корреляционной матрицей, используемой в задаче уточнения параметров внешнего ориентирования съемочной системы, аналогично тому, как это осуществляется при применении опорных точек.

Выполнено экспериментальное подтверждение эффективности использования линейных объектов местности в качестве дополнительных измерений, получаемых при привязке к картографическим материалам. Показано, что измерения двух взаимно перпендикулярных опорных направлений эквивалентно измерению опорной точки, и что опорное направление в зависимости от его ориентации может превосходить по информативности опорную точку при уточнении углов внешнего ориентирования.

6. Разработана методика уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы, позволяющая повысить точность геопривязки видеоданных за счет компенсации искажающих факторов, связанных с деформацией оптической системы и фокальной плоскости, и основанная на статистической обработке контрольных измерений, получаемых при съемке опорных полигонов, и отделении систематических ошибок от случайных.

Экспериментально подтверждена возможность уточнения параметров внутреннего ориентирования съемочной системы по снимкам земной поверхности при наличии точных данных об угловом положении и движении КА и точных топографических карт на снимаемую территорию.

7. Предложена единая методика для оценки априорных и апостериорных геометрических характеристик исходных и обработанных по орбитальным параметрам изображений, основанная на методе статистических испытаний Монте-Карло и позволяющая оценить как адекватность моделей обработки, так и корректность их программной реализации. Методика базируется на принятых в международной практике критериях оценки геометрического качества сканер-ной информации и позволяет оценить систематическую (точность геопривязки) и случайную (точность взаимного положения контуров) составляющие ошибки определения координат пикселей изображения.

Экспериментально подтверждена эффективность использования методики, а также показано, что метод статистических испытаний в совокупности с моделью съемки КА может эффективно использоваться как при получении априорных точностных характеристик изображений, так и при обоснованнии требований к точностным характеристикам систем космических аппаратов ДЗЗ при их проектировании.

8. Предложена технология ортотрансформирования космических изображений, основанная на методе, обеспечивающем вычисление геодезических координат элементов изображения путем совместного решения уравнения прямой фотограмметрической засечки с уравнением, описывающим рельеф локального участка земной поверхности. Экспериментально подтверждено, что метод обеспечивает высокоточное и надежное определение координат точек местности при экстремальных условиях съемки, выполненной под углом наклона а=84°.

9. Разработан алгоритм совместной обработки блока перекрывающихся снимков, в котором принцип объединения изображений основан на методе дифференциального уточнения параметров внешнего ориентирования одиночных кадров с привлечением в качестве дополнительных измерений координат связующих точек, определяемых по перекрывающимся изображениям. Предложенный подход не накладывает ограничений на размеры блока одновременно обрабатываемых снимков и позволяет реализовать технологию получения практически бесшовного мозаичного кадра требуемой территории по изображениям от различных систем ДЗЗ.

10. Решена задача практической реализации разработанных в диссертации методов и технологий геометрической обработки видеоинформации высокого пространственного разрешения. Предложен унифицированный алгоритм фильтрации грубых ошибок измерений на основе порядковых статистик, позволяющий повысить достоверность и точность вычисления параметров обработки изображений. Разработана гибкая структура программного обеспечения геометрической обработки спутниковых видеоданных, охватывающая весь • перечень решаемых задач и позволяющая конфигурировать различные технологические операции координатных преобразований изображений. На базе предложенной структуры спроектировано семейство программных систем геометрической обработки материалов съемки от существующих и планируемых к запуску КА «Монитор-Э», «Аркон», «Ресурс-ДК» и др.

По результатам экспериментальной апробации на реальной и модельной информации установлено существенное преимущество предложенных в диссертации технических решений по сравнению с традиционными подходами, использующими обобщенные модели съемки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы и математические модели, на основе которых впервые в отечественной практике реализованы полнофункциональные технологии геометрической обработки видеоинформации, получаемой от отечественных оптико-электронных систем ДЗЗ высокого пространственного разрешении. В результате созданы и внедрены в центрах приема и обработки информации ДЗЗ программные системы, способные решать задачи мелкомасштабного и крупномасштабного картографирования земной поверхности.

1. Лукашевич Е.Л., Горелов В.А., Карпухина О.А. Космические аппараты оптико-фотографического наблюдения и их роль в информационном обеспечении картографической отрасли // Геодезия и картография. 2005. № 1. С. 32-37.

2. Кронберг П. Дистанционное изучение Земли. М.: Мир, 1988. 350 с.

3. Фомин Г.Е., Абрашкин В.И., Казакова А.Е. Космические средства дистанционного зондирования Земли // Тез. докл. 3-й междунар. науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2000. С. 329.

4. Алавердов В.В., Анфимов Н.А., Коптев Ю.Н. Концепция и основная направленность Федеральной космической программы РФ на период до 2005 г. // Космонавтика и ракетостроение. Вып. 8. 1996. С. 5-14.

5. Хижниченко В.И. Дистанционное зондирование Земли. Обзорная информация // Российское авиационно-космическое агентство / СПб.: Гидроме-теоиздат, 2000. 80 с.

6. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М., 1997. 296 с.

7. Программа дистанционного зондирования Земли // Spot Selection DERSI. 1998. №8. С. 4.

8. Рынок геоинформатики России 2001: Каталог-справочник. Вып. 7. М.: ГИС-Ассоциация, 2002. С. 64.

9. Cheng P., Toutin Т, Geometric correction and date fusion of IRS-1С data // Earth Observ. Mag. 1998. 7. №3. P. 24-26.

10. Зайцев B.B., Шкарин В.Е. Наземная обработка данных в перспективной системе ДЗЗ ГКНПЦ им. М.В.Хруничева // Тез. докл. 3-й междунар. науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2000. С. 329.

11. Макриденко Л .А. Тенденции развития космических средств и технологий ДЗЗ // Тез. докл. 4-й междунар. науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радио141электроника. Геоинформатика». Рязань, 2003. С. 73-75.

12. Системы и технологии приема, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли Росавиакосмоса / JI.A. Макриденко, В.К. Злобин, В.В. Еремеев, А.Е. Кузнецов и др. // Исследование Земли из космоса. 2001. №6. С. 31-40.

13. Moreno J.F., Melia J.A. Method for accurate geometric correction of NOAA AVHRR HRRT data // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens. 1993. 31. №1. P. 204-213.

14. Лобанов A.H., Журкин И.Г. Автоматизация фотограмметрических процессов. М.: Недра, 1980. 240 с.

15. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М.: Мир, 1982. Кн. 1, 2.

16. Агапов С.В. Фотограмметрия сканерных снимков. М.: Геоиздат, 1996.176 с.

17. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К. Распознавание и цифровая обработка изображений. М.: Высш. шк., 1983. 295 с.

18. Бугаевский JI.M. Математическая картография: Учебник для вузов. М., 1998. 400 с.

19. Грушинский Н.П. Теория фигуры Земли. М.: Физматгиз, 1963. 448 с.

20. Тихонравов М.К., Яцунский И.М., Максимов Г.Ю., Бажинов И.К., Гурко О.В. Основы теории полета и элементы проектирования искусственныхспутников Земли. М.: Машиностроение, 1697. 295 с.

21. Урмаев М.С. Космическая фотограмметрия. М.: Недра, 1989. 279 с.

22. Тюфлин Ю.С. Космическая фотограмметрия при изучении планет и спутников. М.: Недра, 1986. 247 с.

23. Родионов Б.Н. Динамическая фотограмметрия. М.: Недра, 1983. 189 с.

24. ER Mapper 5.0 Helping people manage the Earth: Earth Resource Mapping Press. 1997. 42 p.

25. ERDAS Field Guide, IMAGINE OthoBASE Tour Guide.

26. Хижниченко В.И. Критерии оценки геометрических искажений сканерных снимков //Геодезия и картография. 1981. №2. С. 25-27.

27. Показатели качества изображений системы Spot // Ракетокосмическая техника. 1996. № 14-15. С. 13-17.

28. Дистанционное зондирование: количественный подход / Ш.М. Дейвис, Д.А. Ландгребе, Т.Л. Филине и др. Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. М.: Недра, 1983. 415 с.

29. Журкин И.Г., Зайцев А.А. Геометрическая калибровка фотоизображений // Исследование Земли из космоса. 1997. №2. С. 53-57.

30. Журкин И.Г., Гук А.П. Алгоритм раздельного определения элементов внешнего ориентирования сканерных изображений (идеальная модель) // Извести вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1992. №1. С. 51-56.

31. Злобин В.К., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Нефедов В.И. Модель координатной обработки сканерных изображений от природно-ресурсных спутниковых систем // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. №5. С. 141-154.

32. Злобин В.К., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Нефедов В.И. Геометрическое объединение изображений, получаемых в режиме синхронной съемки земной поверхности // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. №1. С. 91-100.

33. Злобин В.К., Кузнецов А.Е., Нефедов В.И. Организация координатной обработки потока видеоданных в реальном времени // Проектирование вычислительных машин и систем: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РРТИ, 1990. С. 35-42.

34. Гомозов О.А., Корноухов К.В., Погорелов В.В., Чумаков С.В. Использование линейных объектов карт при внешнем ориентировании фотоснимков // Геодезия и картография. 1993. № 4. С. 24-29.

35. Погорелов В.В., Малюков В.М. Об определении элементов ориентирования узкоугольных снимков // Геодезия и картография. 1989. № 8. С. 31-34.

36. Хижниченко В.И, К вопросу о геометрической коррекции сканерных снимков земной поверхности // Исследование Земли из космоса. 1981. № 4, С. 96-103.

37. Арушанов M.J1. Простая модель географической привязки сканерных снимков малого разрешения, обеспечивающая высокую точность // Исследование Земли из космоса. 1993. № 3. С. 41-46.

38. Захаров М.Ю. Лупян Е.А., Мазуров А.А., Нартов И.Ю. Географическая привязка данных прибора AVHRR для задач регионального мониторинга // Исследование Земли из космоса. 1993. № 5. С. 27-32.

39. Петрищев В.Ф. Аналитическая модель отклонений в координатах точек псевдокадра, получаемого при сканерной съемке, для случая круговой орбиты и сферической невращающейся Земли // Исследование Земли из космоса. 1993. №2. С. 48-55.

40. Radhadevi P.V., Ramachandran R. Orbit attitude modeling of SPOT imagery with single ground control point // Photogram. Rec. 1994. 14. P. 973-982.

41. Гиммельфарб Г.Л. Автоматизированная межотраслевая обработка снимков земной поверхности, получаемых с ИСЗ серии Landsat // Зарубежная радиоэлектроника. 1983. № 8. С. 56-84.

42. Мелина Е.А. Возможности геометрической коррекции фотоизображений электронных методов съемки способом полиномов // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1981. № 5. С. 102-108.

43. Mather P.M. Map-image registration accuracy using least-squares polino-mials // IutJ. Geogr. Inform Syst. 1995. 9. № 5. P. 543-554.

44. Фомин Е.И., Фетисов А.Г. О трансформировании космических снимков по опорным точкам // Тр. ГосНИ ЦИПР. 1989. Вып. 35. С. 54-60.

45. Лобанов А.Н. Аэрофототопография. М.: Недра, 1971. 560 с.

46. Левентуев В.П. Коррекция баллистической географической привязки за счет использования опорных точек // Исследование Земли из космоса. 1994. № 4. С. 49-57.

47. Еремеев В.В., Кузнецов А.Е., Федоткин Д.И. Информационная технология координатной привязки изображений земной поверхности по электронным картам // Вычислительные машины, комплексы и сети: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА, 1999. С. 21-25.

48. Гомозов О.А. Оценка влияния ошибок оптико-электронных систем КА ДЗЗ на точность геометрической обработки изображений. Рязань: РГРТА, 2004. 11 с. Деп. в ВИМИ 03.09.04, № ДО-8957.

49. Бусленко Н.П., Шрейдер Ю.А. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) и его реализация на цифровых вычислительных машинах. М.: Госиздат физ.-математ. литературы, 1961. 228 с.

50. Чекалин В.Ф. Ортотрансформирование снимков. М.: Недра, 1986.215 с.

51. Гомозов О.А., Колесников В.Н., Погорелов В.В. Выявление грубых измерений с использованием порядковых статистик // Геодезия и картография. 1994. №7. С. 24-29.

52. Основные системы координат для баллистического обеспечения полетов и методика расчета звездного времени // Методические указания. Спутники Земли искусственные. РД 50-25645.325-89. М.: Издательство стандартов, 1990. 325 с.

53. GeoTiff Format Specification, v. 1.8.2. 1995.

54. Department of defeuse World Geodetic System. 1984, NIMA, technical report. 1997.

55. John P. Snyder. Map Projections-A Working Manual. US Government printing office. Washington, 1987.

56. ГОСТ 20058-80 Динамика летательных аппаратов в атмосфере.

57. Батраков А.А. Общая модель для расчета и анализа скорости сдвига оптического изображения при съемке земной поверхности // Исследование Земли из космоса. 1989. № 4. С. 99-106.

58. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. М.: Физматгиз, 1962. 237 с.

59. Lugnani I.B. Control features an alternative Source for urban area control. Paper presented at the XV Congress of the ISR&RS, Comission III, Rio se Janeiro, 1984. P. 694-656.

60. Mastry S.D. Digital mapping using entities. A new concept. Photogram. Eng. andR.S., 1981, Vol. 48(11), P. 1561-1565.

61. Гомозов О.А., Еремеев В.В., Кузнецов А.Е. Концепция построении технологий обработки данных от космической системы «Монитор-Э» // Тез. докл. 4-й междунар. науч.-техн. конф. «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика». Рязань, 2003. С. 300.

62. Журкин И.Г., Нейман Ю.М. Методы вычислений в геодезии. М.: Недра, 1988. 320 с.

63. Барабин Г.В., Кузнецов С.В. О решении прямой фотограмметрической задачи с использованием цифровой модели рельефа. НТС № 36 (43), М.: РИО ВТС, 1988. С. 51-63.

64. Погорелов В.В., Родионов В.А., Хлебникова Г.М., Яковлева Р.А. О математическом описании искажений координат точек на аэроснимках // Геодезия и картография. 1979. № 7. С. 15-21.

65. Введение в теорию порядковых статистик / Под ред. А .Я. Боярского. М.: Статистика, 1970. 414 с.

66. Грановский В.А., Сирея Т.И. Методы обработки экспериментальныхданных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.

67. Маркузе Ю.И., Назаров К. Контроль грубых ошибок при обработке многократных измерений одной величины // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1988. № 1.С. 12-17.

68. Гомозов О.А. Разработка программного обеспечения обработки материалов космического съемки высокого пространственного разрешения. Рязань: РГРТА, 2004. 14 с. Деп. в ВИМИ 03.03.04, № ДО-8945.

69. Заместитель директора Научного зецтра оперативного мониторинга л.% Земли1. Кузнецов И.И.г.1. АКТо внедрении результатов кандидатской диссертации Гомозова О.А. в Научном центре оперативного мониторинга Земли

70. Директор программы ДЗЗ ГКНПЦ им М.В.Хруничева, кандидат технических наук, старший научный сотрудник1. Б.А. Юрченко

71. УТВЕРЖДАЮ» Командир войсковой части 54023 i х наукст тру дни к1. Н.Клименко1. АКТнаучно-технической комиссии о реализации научных положений и выводов кандидатской диссертации Гомозова Олега Анатольевича в войсковой части 54023

72. Внедрение результатов позволило повысить измерительные свойства получаемых материалов оптико-электронного наблюдения высокого разрешения и расширить круг задач, решаемых с их использованием.

73. Акт выдан для представления в совет по защите диссертаций. Председатель комиссии:доктор технических наук старший научный сотрудник

74. Кандидат технических наук старший научный сотрудник1. Члены комиссии:1. В.Земсков1. Е.Юлегин