Określenie przydatności wysokorozdzielczych rosyjskich stereoskopowych obrazów satelitarnych dla opracowań ortofotomap cyfrowych

Projekt badawczy własny (4T 12E 007 28) finansowany ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, realizowany w Zakładzie Fotogrametrii w latach 2005-2007 pod kierownictwem dr inż. Ireneusza Ewiaka

Realizacja projektu miała na celu dokonanie wnikliwego przeglądu współczesnego rosyjskiego rynku danych satelitarnych oraz przeprowadzenie badań metodycznych dotyczących ich zakresu wykorzystania w procesie generowania podstawowych produktów fotogrametrycznych. W obszarze zainteresowania badań znalazły się rosyjskie stereoskopowe dane satelitarne TK-350 oraz rosyjskie systemy wysokorozdzielcze, a w szczególności dane pozyskiwane przy udziale satelity Resurs-DK.

Do badań metodycznych wybrano pola testowe, na obszarze, których przygotowano dane referencyjne stanowiące niezbędny element w analizach dokładności produktów fotogrametrycznych wygenerowanych na podstawie rosyjskich stereoskopowych zobrazowań satelitarnych TK-350 oraz wysokorozdzielczych zobrazowań Resurs-DK. Obszary te charakteryzowały teren o urozmaiconej rzeźbie oraz odzwierciedlały różny stopień jego zurbanizowania. Dane referencyjne w postaci zbioru punktów osnowy fotogrametrycznej pomierzonej w terenie techniką GPS były uzupełniane archiwalnymi zbiorami punktów wysokościowych modelu rzeźby terenu oraz ortoobrazami zapewniającymi dokładność położenia sytuacyjnego na poziomie 1.0 m.

W wyniku przeprowadzonych rozmów z firmą Innoter, głównym dystrybutorem rosyjskich danych satelitarnych, na czas realizacji projektu, zespół badawczy uzyskał bezpłatny dostęp do specjalistycznego oprogramowania Ortho/Z-Space, niezbędnego do opracowania danych stereoskopowych TK-350.

Specyfika rosyjskich stereoskopowych danych satelitarnych, które różnią się pod względem sposobu pozyskiwania oraz parametryzowania, od znanych w Polsce danych Ikonos oraz QuickBird, wymagała od zespołu badawczego wnikliwego rozpoznania wszystkich modułów oprogramowania Z-Space. W szczególności sprawdzono poprawność działania aplikacji do korekcji radiometrycznej i geometrycznej scen, generowania i edycji numerycznego modelu terenu oraz do generowania i kontroli dokładności ortoobrazów. Analiza tych modułów odbywała się w oparciu o zakupione dane testowe.

Metodyka korekcji radiometrycznej scen TK-350 polegała na zastosowaniu odpowiednich filtrów obrazowych spełniających kryterium poprawności korelacji obrazów cyfrowych zapisanych w 16 - bitowej skali szarości.
Metodyka korekcji geometrycznej sceny stereoskopowej TK-350 dotyczyła wyznaczenia optymalnej ilości fotopunktów oraz ich rozmieszczenia w granicach opracowania sceny. Stwierdzono wysoką dokładność wewnętrzną matrycy obrazowej TK-350 (spójność pikseli i linii pikseli). Stwierdzono również, iż dzięki tej dokładności, wykorzystując do orientacji sceny zaledwie 9 fotopunktów rozmieszczonych symetrycznie w pasie pokrycia stereoskopowego można uzyskać dokładność orientacji bezwzględnej modelu TK-350 na poziomie: mX = 5.2 m, mY = 4.3 m oraz mZ = 4.2 m, która jest porównywana z dokładnością korekcji geometrycznej panchromatycznej sceny stereoskopowej SPOT 4.

Opracowano założenia do metodyki pomiarów korelacyjnych obrazów stereoskopowych TK-350, na podstawie których wygenerowano numeryczne modele terenu (NMT) uwzględniające zmienny charakter ukształtowania jego rzeźby. W celu zwiększenia skuteczności edycji i filtracji pomiarów wysokościowych NMT opracowano algorytm bazujący na wielolowątkowej analizie otoczenia punktów odstających od rzeczywistej powierzchni terenu. Wykorzystując przygotowany uprzednio zbiór danych referencyjnych dokonano bezwzględnej oceny dokładności położenia wysokościowego zbioru punktów NMT.

Wykorzystując algorytmy korelacyjne programu Z-Space, bazujące na automatycznej korekcji pomiarów wysokości, wygenerowano NMT z dokładnością mH = 3.2 m dla terenów równinnych oraz mH = 3.9 m dla terenów pagórkowatych i górzystych. Tak dobry wynik automatycznego pomiaru wysokości, na podstawie obrazów TK-350, uzyskano dzięki wykorzystaniu pełnego zestawu parametrów orbitalnych w algorytmach pomiarowych programu OrthoSpace (pełny pakiet zawierający moduł Z-Space).

Stwierdzono, że pomiary wysokościowe realizowane techniką korelacji obrazów na podstawie danych TK-350 stanowią doskonały materiał źródłowy do generowania warstwic na mapach topograficznych w skalach od 1:25 000 do 1:20 0000, przy czym skala opracowania jest determinowana ukształtowaniem rzeźby terenu. Wysoka dokładność NMT wygenerowanego na podstawie obrazów stereoskopowych TK-350 oraz zasięg jego opracowania sprawiają, że produkt ten spełnia podstawowe wymagania dokładnościowe dla procesu ortorektyfikacji zdjęć lotniczych i wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych.
Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzono analizy ekonomiczno-techniczne potwierdzające zasadność stosowana rosyjskich stereoskopowych zobrazowań TK-350 jako źródła danych wysokościowych do generowania map warstwicowych oraz ortofotomap.

Dla udokumentowania i upowszechnienia badań z zakresu wykorzystania stereoskopowych obrazów TK-350 do generowania produktów geodezyjnych metodami fotogrametrii cyfrowej na Ogólnopolskim Sympozjum Naukowym „Opracowania Cyfrowe w Fotogrametrii, Teledetekcji i GIS" zorganizowanego w Starych Jabłonkach pod auspicjami Polskiego Towarzystwa Fotogrametrii i Teledetekcji, kierownik niniejszego projektu badawczego wygłosił referat "Metodyka generowania numerycznego modelu terenu na podstawie rosyjskich stereoskopowych zobrazowań TK-350".

Dzięki uprzejmości dystrybutora danych  KA Resurs-DK uzyskano dostęp do struktury zapisu ich matadanych, co pozwoliło na opracowanie własnych rozwiązań polegających na implementacji algorytmów modeli matematycznych korekcji geometrycznej wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych, do wybranych komercyjnych systemów fotogrametrycznych. Po wnikliwej analizie prace ukierunkowano na system PCI Geomatica Ortho Engine v.10 ze względu na uniwersalność jego środowiska programistycznego dającego możliwość realizacji własnych rozwiązań.

Równolegle z opracowaniem metodyki korekcji geometrycznej wysokorozdzielczych obrazów Resurs-DK, na podstawie przygotowanych uprzednio i uzupełnionych danych referencyjnych określony został wpływ dokładności wyznaczenia elementów orientacji zewnętrznej scen Resurs-DK na dokładność położenia pikseli w matrycy wygenerowanego ortoobrazu. Metodyka korekcji geometrycznej obrazów panchromatycznych Resurs-DK oparta była głównie na wykorzystaniu ścisłego modelu parametrycznego, wzorowanego na modelu Toutina, dostosowanego programowo (algorytm zewnętrzny) do struktury rosyjskich danych. Dodatkowo zbadano również dokładność orientacji scen w oparciu o model wielomianowy oraz wyznaczone i skorygowane współczynniki RPC. Badania metodyczne potwierdziły przypuszczenia, że wysokorozdzielcze zobrazowania Resurs-DK można skorygować geometrycznie na poziomie ½ piksela obrazu źródłowego. Zestawiając ten rezultat z wynikami podobnych badań metodycznych przeprowadzonych na obrazach Ikonos-2 oraz koszt zakupu 1 km2 rosyjskiego zobrazowania Resurs-DK, należy odnotować dużą konkurencyjność rosyjskich wysokorozdzielczych zobrazowań w zastosowaniach fotogrametrycznych i teledetekcyjnych.

Określono uwarunkowania procesu ortorektyfikacji rosyjskich zobrazowań Resurs-DK. Stwierdzono, że do wygenerowania ortoobrazów spełniających kryterium dokładności geometrycznej mapy topograficznej w skali 1:10000 należy włączyć zbiór punktów wysokościowych NMT o dokładności mH = 4m. Stwierdzono również, że źródłem takiego modelu może być interferometryczny pomiar  radarowy, a w szczególności pomiary wysokościowe misji SRTM. Określono dokładność modelu SRTM na obszarze Polski, zaś wyniki analiz zamieszczono w publikacji: „Ocena dokładności modelu SRTM na obszarze Polski", której współautorem był kierownik niniejszego projektu badawczego.
Określono walory interpretacyjne ortoobrazów panchromatycznych oraz Pan-sharpened NIR pozyskanych z danych źródłowych Resurs-DK potwierdzając ich stopień szczegółowości odpowiadający mapie w skali 1:10000.
Należy podkreslić, że niniejsze opracowanie jest do chwili obecnej unikatowe w skali badań europejskich oraz jedno z nielicznych w skali światowej fotogrametrii.  Zwięczeniem badań rosyjskich współczesnych danych satelitarnych są publikacje, które ukazały się w wydawnictwach krajowych i zagranicznych:

  • Ewiak I., Kaczyński R., 2008. Determine of utilization range of Resurs-DK satellite data in the face of Ikonos system,
    The International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVII, Part B4, pp. 1269-1274. 
  • Ewiak I., 2007. Rosyjskie dane satelitarne wobec współczesnych systemów komercyjnych, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 17a, str. 209-216. 
  • Ewiak I., 2006. Metodyka generowania numerycznego modelu terenu na podstawie rosyjskich stereoskopowych zobrazowań TK-350, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, Vol. 16, s. 177-186.