Metodyka orientacji danych satelitarnych QuickBird Pan i XS

Projekt badawczy statutowy finansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, realizowany w Zakładzie Fotogrametrii w 2006 roku pod kierownictwem dr inż. Ireneusza Ewiaka

Współczesne wysokorozdzielcze systemy satelitarne, w tym system QuickBird, wsparte nowoczesnymi technikami pozycjonowania przestrzennego obiektów, dostarczają obrazy zabezpieczające dokładność opracowań fotogrametrycznych na poziomie porównywalnym z opracowaniami ze zdjęć lotniczych w skali 1:26000.

Kompozycje kanałów wielospektralnych z kanałem panchromatycznym (Pan Sharpened) zapewniają tym obrazom przy wysokiej rozdzielczości geometrycznej również wysoką rozdzielczość radiometryczną rejestrowaną w 11 bitowej skali szarości.
Zdolność radiometryczna obrazów QuickBird przewyższa zdolność radiometryczną tradycyjnych zdjęć lotniczych, które pozbawione są informacji zarejestrowanej w bliskiej podczerwieni. W systemach wysokorozdzielczego obrazowania w niewielkim interwale czasu rejestrowany jest obraz dużych powierzchni z jednej orbity, co eliminuje często spotykany problem różnic tonalnych na sąsiednich zdjęciach lotniczych w bloku fotogrametrycznym.

W Polsce rodzi się więc przekonanie, że wysokorozdzielcze obrazy satelitarne, jako materiał źródłowy do generowania ortoobrazów w skali od 1:5000 do 1:10000, mogą zastąpić obrazy skanowanych zdjęć lotniczych, pod warunkiem, że spełnią odpowiednie wymogi geometryczne. Faktyczny potencjał tych zobrazowań miały przybliżyć badania metodyczne realizowane w ramach niniejszego zadania statutowego.

Wobec umacniania się na rynku komercyjnym pozycji wysokorozdzielczych danych satelitarnych przejmujących rolę podstawowego materiału źródłowego w cyfrowych opracowaniach fotogrametrycznych zachodzi potrzeba wdrażania i aktualizacji technologii, które odpowiadałyby potrzebom współczesnej fotogrametrii. Głównym zadaniem w rozwoju tych technologii jest perfekcyjne opanowanie warsztatu korekcji geometrycznej satelitarnych danych źródłowych, a w szczególności danych QuickBird charakteryzujących się najwyższą jak dotychczas precyzją obrazowania satelitarnego.

Dysponując danymi reprezentującymi różne formy pokrycia i ukształtowania terenu oraz różnymi platformami sprzętowymi przeprowadzono kompleksowe badania scen QuickBird i sformułowano stosowne wnioski.

Głównym celem prac badawczych było opracowanie metodyki korekcji geometrycznej scen QuickBird zarejestrowanych w zakresie panchromatycznym oraz wielospektralnym w oparciu o analizy modeli matematycznych korekcji opisujących relację pomiędzy obrazem a układem współrzędnych geodezyjnych.

Do badań metodycznych wykorzystano stacje fotogrametryczne znajdujące się na wyposażeniu Zakładu Fotogrametrii IGiK (Image Station Intergraph, PCI Geomatica, Inpho Stuttgart) oraz inne systemy komercyjne, dzięki którym możliwa była weryfikacja uzyskanych wyników. W badaniach uwzględnione zostały warianty matematycznego rozwiązania dla korekcji geometrii sceny QuickBird przy optymalnej konfiguracji punktów osnowy fotogrametrycznej. Istotnym problemem zadania było zbadanie wpływu wychylenia sensora satelity na dokładność korekcji geometrycznej poszczególnych scen.

Uzyskane wyniki posłużyły do opracowania i uzupełnienia wytycznych technicznych w zakresie korekcji geometrycznej wysokorozdzielczych scen satelitarnych, a w szczególności scen QuickBird.

Wyniki korekcji geometrycznej sceny panchromatycznej QuickBird zaprezentowano w trzech niezależnych wariantach. Każdy z nich uwzględniał zakres wykorzystania punktów osnowy fotogrametrycznej w procesie orientacji sceny. Wykorzystując do korekcji geometrycznej sceny ścisły matematyczny model sensora satelity Quick Bird zaimplementowany w modułach oprogramowania PCI Geomatica - Ortho Engine v. 9.1.6. pomierzono manualnie współrzędne obrazowe od 5 do 14 fotopunktów, których rozmieszczenie na scenie było determinowane ich liczbą.

Na podstawie analizy wyników stwierdzono, że ścisła metoda korekcji geometrycznej sceny Quick Bird wsparta pomiarem 9 fotopunktów pozwala na wpasowanie sceny w układ współrzędnych terenowych z dokładnością 0.3 m dla współrzędnej X oraz 0.35 m dla współrzędnej Y. Zwiększenie liczby fotopunktów do 14 nie wpływa znacząco na wyniki orientacji sceny.
W kolejnym wariancie do orientacji sceny Quick Bird wykorzystano współczynniki RPC wygenerowane dla matrycy obrazowej oraz zestaw 14 fotopunktów pomierzonych w różnych konfiguracjach. Okazało się, iż orientację sceny Quick Bird uwzględniającą wyłącznie współczynniki RPC charakteryzują duże wartości błędów średnich, które na kierunku orbitalnym wynoszą powyżej 10 m, zaś na kierunku linii skanowania nadirowego około 7 m.

Włączenie do procesu orientacji, poza współczynnikami RPC, pomiarów współrzędnych obrazowych fotopunktów, pozwala uzyskać wyniki korekcji geometrycznej sceny w odwzorowaniu kartograficznym na poziomie poniżej 1 m dla współrzędnej X oraz nieco powyżej 1 m dla współrzędnej Y. Stosunkowo mały rozrzut wartości błędów średnich na punktach kontrolnych, przy różnej ilości fotopunktów biorących udział w korekcji geometrycznej sceny, pozwala stwierdzić, że wyraźny brak korelacji pomiędzy współczynnikami RPC a osnową fotogrametryczną jest spowodowany brakiem spójności wewnętrznej matrycy obrazowej QuickBird lub słabą jakością wyznaczonych współczynników. Optymalny wynik w tym wariancie korekcji geometrycznej uzyskuje przy włączeniu do pomiarów współrzędnych 7 fotopunktów.

Korzystniejsze rezultaty korekcji geometrycznej sceny QuickBird uzyskano w wariancie bazującym na niezależnym wyznaczeniu współczynników RPC w oparciu o pomiary fotogrametryczne fotopunktów. Założeniem tego wariantu było wyznaczenie optymalnego stopnia wielomianu dla określenia relacji matematycznej pomiędzy matrycą obrazową Quick Bird a terenowym układem współrzędnych.

Poszukując alternatywnych dla zdjęć lotniczych źródeł danych obrazowych, w toku badań metodycznych został określony stopień przydatności panchromatycznych zobrazowań QuickBird do generowania „true ortho". W badaniach metodycznych wykorzystano sceny pozyskane przy różnych kątach wychylenia sensora satelity od nadiru, obejmujące swym zasięgiem centrum Warszawy. Elementy orientacji zewnętrznej poszczególnych scen wyznaczono na podstawie opracowanej metodyki korekcji geometrycznej obrazów źródłowych QuickBird. Do procesu ortorektyfikacji panchromatycznych obrazów QuickBird włączono zbiór punktów wysokościowych zapisanych w regularnej siatce o oczku 20 m, których dokładność położenia mH wynosiła 0.6 m. Podstawowym materiałem badawczym były ortoobrazy wygenerowane z pikselem 1m, przy kątach wychylenia sensora obrazującego wynoszących 5°, 11° oraz 18°. Główny nurt tych badań skupiał się na określeniu wpływu wychylenia sensora satelity na dokładność odwzorowania na ortofotomapie przestrzennych obiektów terenowych. Na podstawie różnic położenia tych obiektów na ortoobrazach oraz mapie numerycznej określono dopuszczalny zakres wychyleń kątowych sensora obrazującego satelity QuickBird, dla których zachowana została dokładność sytuacyjna mapy w żądanej skali, a tym samym spełniony został dla tej skali warunek true ortho.
Stwierdzono, że panchromatyczne sceny satelitarne QuickBird pozyskane przy kącie wychylenia sensora poniżej 5° stanowią materiał źródłowy do generowania true ortho w skali 1:10 000 dla obszarów, na których występują formy pokrycia terenu o wysokości nie przekraczającej 30 m, przy czym w procesie generowania ortoobrazów należy uwzględniać wpływ deniwelacji terenu, której wartość przekracza 10 m.

Ponadto, stwierdzono, że panchromatyczne sceny satelitarne QuickBird pozyskane przy kącie wychylenia sensora powyżej 18° stanowią materiał źródłowy do generowania true ortho w skali 1:10 000 dla obszarów pozbawionych form pokrycia terenu lub pokrytych obiektami o wysokości nie przekraczającej 2.5 m. W powyższym wariancie generowania true ortho wysokość terenu należy określić z dokładnością powyżej 1m.

Szczegółowy opis badań realizowanych w ramach niniejszego tematu zawierają publikacje:

Ewiak I., Kaczyński R., 2006. Alternatywne źródła danych dla zdjęć lotniczych w procesie generowania true ortho, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 16, s. 187-196.
Kaczyński R., Ewiak I., 2006. Wysokorozdzielcze zobrazowania satelitarne a zdjęcia lotnicze, Uczelniane Wydawnictwo Naukowo - Dydaktyczne AGH - Geodezja, Tom 12, Zeszyt 2/1, s. 257-265.
Ewiak I., 2006. Potencjał wysokorozdzielczych zobrazowań Ikonos oraz QuickBird dla generowania ortoobrazów, Systemy Logistyczne Wojsk, Zeszyt 32, s.141-154.
Ewiak I., Kaczyński R., 2006. Generation of True Ortho - satellite data replaces aerial photographs, Geoconnexion International Magazine, May.