Topografik ve tematik haritaların yapımına veri kaynağı oluşturacak uydu görüntülerinin dönüşüm yöntemleri analizi
Rectification methods of satellite image data for optimum benefit to topographic and the matic mapping purposes
Yazar: CENGİZHAN İPBÜKER
Danışman: PROF.DR. OĞUZ MÜFTÜOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1999
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Harita üretimi = Map production ; Haritalar = Maps ; Topoğrafik haritalar = Topographic maps ; Uydu görüntüleri = Satellite images ; Uzaktan algılama = Remote sensing

Özet:
TOPOGRAFIK VE TEMATİK HARİTALARIN YAPIMINA VERİ KAYNAĞI OLUŞTURACAK UYDU GÖRÜNTÜLERİNİN DÖNÜŞÜM YÖNTEMLERİ ANALİZİ ÖZET Günümüzde, klasik yersel yöntemlerin yanında, uzaktan algılama verilerinden de yararlanarak topografik ve tematik harita üretimi güncellik kazanmıştır. Yeryüzünde birçok bölgenin hala büyük ve orta ölçekte haritaları mevcut değildir. Aynı zamanda, harita takımları mevcut olsa dahi hızlı kentleşme, alan kullanımında genişleme gibi nedenlerle kısa aralıklarla sistematik harita güncelleştirilmesi talepleri karşısında bu ihtiyaçlara cevap verecek hızlı ve ekonomik bir harita veri kaynağı olan uydu görüntüleri önem kazanmıştır. Uzaktan Algılama görüntülerinin harita üretimi amaçlı uygulamalarda nicel kullanımı, bu görüntülerin içerdiği geometrik distorsiyonlann düzeltilerek (rektifiye edilerek) istenilen bir harita projeksiyonuna çevrilmesini gerekli kılmaktadır. Genellikle uygulanan teknik, görüntü üzerinde konumları belirlenen kontrol noktalarının ilgili harita üzerindeki karşılıkları kullanılarak bir matematik koordinat dönüşümü yöntemi ile geometrinin düzeltilmesidir. Bu bağlamda, en yaygın olarak polinom dönüşümü kullanılmaktadır. Bu dönüşüm yönteminin duyarlılığı hakkında literatürde çok sayıda çalışmalar ve sonuçlan yer almaktadır. Modern matematik araç ve teknikler kullanılarak, polinom dönüşümünün dışında farklı yöntemlerin denendiği yine literatürden görülmektedir. Algılama sistemlerindeki gelişmeler doğrultusunda artan çözünürlükle beraber bu geometrik dönüşüm yöntemlerinin doğruluğu ve fiziksel güvenilirliği bu çalışmanın ana konusunu oluşturmaktadır. Kullanılan görüntü işleme yazılımlarının hemen hepsi polinom dönüşümünü esas alarak ürün sunmaktadır. Bu tekniğin, LANDSAT, SPOT gibi uydu görüntülerinden orta ölçekte harita üretim amaçlan için yeterli doğruluğu sağladığı görülmektedir. Ancak bu yöntemin yüksek çözünürlükte görüntüler kullanılarak büyük ölçekli harita viiiüretimi için yeterli olmayacağı açıktır. Çünkü polinom tekniklerinin rastgele dağılmış veri gruplarındaki karmaşık distorsiyonlann düzeltilmesindeki yetenekleri sınırlıdır. Yüksek mertebeden polinomlar, polinomun derecesi arttıkça salınım arttığından, birinci ve ikinci dereceden polinomlara nazaran daha kötü sonuçlar vermektedirler. Bu nedenle; multikuadrik enterpolasyon yöntemi, splayn fonksiyonları gibi radyal bazlı fonksiyonlar ve sonlu elemanlar yöntemi, görüntü verilerinin dönüşümünde klasik polinom yaklaşımına alternatif yöntemlerdir. Bu çalışmada, kontrol noktalan kullanılarak görüntülerin dönüşümü için, multikuadrik enterpolasyon yöntemi, ince levha splayn fonksiyonu ve "sonlu elemanlar" olarak üçgenler içerisinde parça parça lineer enterpolasyon yöntemi olmak üzere üç farklı yöntem ele alınmıştır. Multikuadrik enterpolasyon yöntemi ilk olarak sayısal arazi modellerinin yaratılması amacıyla düzgün olmayan yüzeylerin enterpolasyonu için geliştirilmiştir. Birçok mühendislik problemine uygulandığı gibi, benzer şekilde uzaktan algılama verilerinin dönüşümü için de mantıksal uyum sağlanarak kullanılabilir. Bu yöntem uygulandığı şekli ile, tüm kontrol noktalarından türetilen global bir çözüm olanağı sunmaktadır. Multikuadrik yönteme benzer şekilde, fakat kontrol noktalan arasındaki uzaklığın karesinin logaritmasının kullanıldığı ince levha splayn fonksiyonu, yüzey modellemede kullanılan radyal bazlı fonksiyonlar ailesinden bir diğer konumsal dönüşüm yöntemidir. Kontrol noktalanndan oluşturulan üçgenler içerisinde "sonlu elemanlar" mantığı ile parça parça lineer enterpolasyon yöntemi de, görüntülerin dönüşümü için uygun bir yöntemdir. Yaklaşım fonksiyonunun yine polinom olmasına rağmen, bu fonksiyonun alt alanlar içerisinde lineer dönüşümde uygulanması farklı bir yaklaşımdır. Bu yöntemlerin probleme duyarlılığını ve problemin çözümünde birbirlerine göre üstünlüklerini anlamlı bir şekilde analiz edebilmek için ham uydu verilerinin içerdikleri distorsiyonlara benzer şekilde fakat biraz abartılmış oranda distorsiyonlar içeren iki farklı simulatif model yaratılmıştır. Bu amaçla, literatürde yer alan fakat ıxkartografik uygulamalarda sıkça kullanılmayan iki farklı harita projeksiyon yöntemi ele alınmıştır. Sözkonusu iki model üzerinde her üç yöntemin uygulanması sonucu elde edilen konum doğruluk değerleri klasik polinom tekniği sonuçlan ile analiz edilmiştir. Hem multikuadrik yöntem, hem ince levha splayn fonksiyonu hem de üçgenler içerisinde parça parça lineer enterpolasyon yöntemi uzaktan algılama görüntülerinin yer kontrol noktalan kullanılarak dönüşümünde klasik polinom tekniklerine nazaran çok daha iyi sonuçlar vermektedir. Fakat multikuadrik yöntem bu konuda tek başına yeterli görülmektedir.

Abstract:
RECTIFICATION METHODS OF SATELLITE IMAGE DATA FOR OPTIMUM BENEFIT TO TOPOGRAPHIC AND THEMATIC MAPPING PURPOSES SUMMARY During the past decade, spatial topographic mapping from space using satellite data instead of conventional data collection techniques gained popularity. However, large scale topographic maps are not available for many areas of the world. Satellite remote sensing offers a cheap and effective possibility for the generation and revision of base maps at medium scales. Also, there is an increasing demand for systematic map revisions at reasonable time cycles because most of the topographic maps were badly out of date. The potential of satellite image cartography is improved by the tendency of the development of satellite remote sensing systems towards better spatial resolutions. The quantitative use of remote sensing satellite images in mapping applications requires that the geometric distorsion inherent in these images will be corrected (or rectified) to a desired map projection. The most widely used technique relies on ground control points located in the image and the corresponding map in order to emprically determine a mathematical coordinate transformation to correct the geometry. Commonly used approaches are polynomial rectification methods. All they are approximate solutions and many different studies and results has been reported in the literature for the benefits of such transformation procedures. But further developments in the sensor systems incresing the limited resolution begin new controversies about the accuracy and physical reliability of these geometric transformation methods. Using modern mathematical tools and techniques, additional different transformation methods except polynomial approximations are the main objectives of this study. XIMost commonly used commercial image processing systems provide only global mapping functions such as polynomial equations. Because these techniques have been proven to be sufficient effective and accurate for satellite images received from earth observation satellites like LANDSAT and SPOT in order medium scale mapping purposes. But it is true that these methods are not suited for the rectification of remote sensing images of large scale with high resolution and locally varying geometric distorsions. Polynomial techniques are quite limited in their ability to handle the complex distorsions in scattered image data, but the residuals and the root-mean square errors after the rectification are considered to be sufficient for those images which have limited resolution. Higher order polynomials however, provide worse results than simple first- or second order fits, because so higher the polynomial order, that increases the distorsion. Therefore, radial basis functions such as the multiquadric interpolation methods, spline functions and variations of these methods offer ready alternatives to traditional polynomials for correction of image data. In this study, three methods for image rectification using control points are evaluated. These techniques are the multiquadric method, thin plate splines and the piecewise linear transformation using triangles as "finite elements". The multiquadric interpolation method was first developed and applicated for the interpolation of irregular surfaces creating digital elevation models. As it used in many related engineering applications, it can be modified, however, to be used for image corection of remotely sensed data. Applications to image data indicate that multiquadrics produce excellent results while maintaining control point correspondance. It provides a global solution derived from all control points. Similar to the multiquadric method, thin plate spline function is another spatial transformation method from the radial basis function family used for surface modelling. Piecewise linear interpolation in triangels constituted with the control points as "finite elements" is a suitable method for the rectification of the images. In spite of Xllthe use polynomial function, the application of the method in sub-areas for the linear transformation is a different approach. Two simulative model are created including similar distorsions as satellite images for analize the effectiveness and superiority of the methods to the problem. For this reason two different cartographic projection are selected which take part in the literature but not commonly used. Three methods mentioned above are tested in the simulative models and the achieved spatial accuracy results are analized with the traditional polynomial techniques. The multiquadric method, thin plate spline function and the piecewise interpolation method in triangels give excellent results in the rectification problem of the remotely sensed images according to the traditional polynomial techniques. But the multiquadric method seems to be sufficient alone. X1U