Особенности мониторинга городских территорий по космическим снимкам сверхвысокого разрешения

УДК 528.7

А.А. Алябьев, Е.А. Кобзева, С.В. Серебряков ФГУП «Уралгеоинформ», Екатеринбург

ОСОБЕННОСТИ МОНИТОРИНГА ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ ПО КОСМИЧЕСКИМ СНИМКАМ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

А.А. Alyabiev, S. V. Serebriakov, E.A. Kobzeva FGUP «Uralgeoinform», Yekaterinburg

SOME CHARACTERISTICS OF MONITORING URBAN AREAS ON THE BASIS OF VERY HIGH RESOLUTION SATELLITE IMAGERY

The new version of the RF Urban Planning Code requires more frequent monitoring of built-up areas. As the practice shows, better on-line monitoring can be provided using satellite imagery data. The article describes the city satellite monitoring process and gives characteristics of its parts. It also defines requirements for satellite imagery parameters: spatial and radiometric resolutions, a spectral range, a revisit period, a season of acquisition, etc. Image photogrammetric processing is conducted using base objects. Change detection and mapping involves two steps: automated recognition of areas, where changes took place, and further detailed visual interpretation of detected zones. A list of materials, intended for constant storage, is made.

Исполнение Градостроительного кодекса РФ нуждается в проведении мониторинга территорий поселений. Под мониторингом здесь понимается комплексная система взаимосвязанных работ по регулярному наблюдению за городской территорией, оценке и прогнозу её изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов. На основе данных мониторинга производится выработка рекомендаций и вариантов управленческих решений, направленных на обеспечение устойчивого развития города [3].

Как показывает практика, наиболее оперативный мониторинг возможен по материалам космических съемок. Какие же задачи городского хозяйства могут потенциально решаться с использованием космических снимков? Прежде всего, это топографический мониторинг для разработки генерального плана и контроля его исполнения; экологический мониторинг - выявление несанкционированных свалок, незаконного строительства в рекреационных, водоохранных зонах и др.; благоустройство города - учет тротуаров, газонов, цветников, паспортизация древесных насаждений; отображение уличнодорожной сети; подготовка графических материалов для торгов и аукционов, выдачи разрешений на строительство, ввод объектов в эксплуатацию и т. д. Отдельные успешные примеры использования спутниковой информации в интересах градостроительства наблюдаются и в России, и за рубежом [1, 7]. Необходимо обобщить разрозненный опыт и развить существующие методы фотограмметрической и тематической обработки космических снимков. Целью данной работы являлась разработка технологии спутникового мониторинга городских территорий и оптимизация отдельных технологических этапов.

Город является чрезвычайно сложным объектом, управление которым осуществляется множеством служб: градостроительной, дорожной,

жилищно-коммунальной, здравоохранения и другими. В настоящее время в связи с внедрением информационных систем обеспечения градостроительной деятельности (ИСОГД) [5] в муниципальных образованиях создается картографическая основа поселения, единая для всех городских служб и, следовательно, адаптированная по точности и объектовому составу для решения большинства ведомственных задач. По сравнению с классической топографической картой расширен объектовый состав. Например, для транспортных нужд на графическом материале должны быть дополнительно отображены светофоры и остановки, для целей благоустройства - рекламные щиты и каждое отдельно стоящее дерево. Столь подробный объектовый состав, в свою очередь, вынуждает использовать для мониторинга космические снимки сверхвысокого разрешения (1 м и лучше), которые обладают наибольшей детальностью.

Принципиальная схема работ содержит следующие этапы: сбор исходных материалов, включая космическую съемку и ведомственные документы; фотограмметрическая обработка спутниковых снимков; дешифрирование и фиксация изменений (см. рис. 1). Далее рассмотрены особенности каждого этапа.

Рис. 1. Организационно-технологическая схема мониторинга (пунктиром выделены процессы, выполняемые только один раз в начале мониторинговых

работ)

Космическая съемка

Космическая съемка должна выполняться с соблюдением следующих условий:

1. Технические характеристики аппаратуры. Количество и диапазон спектральных каналов зависит от решаемых задач и применяемых технологий. Так, для визуального распознавания большинства антропогенных объектов было бы достаточно панхроматического канала (pan). Однако мультиспектральная съемка (ms) позволяет частично автоматизировать дешифрирование снимков. Совместная обработка pan и ms изображений удачно сочетает детальность рап-снимка и спектральную информацию ms-снимка [4]. Таким образом, наилучшим вариантом будет съемка одновременно в pan и четырех ms диапазонах (голубая, зеленая, красная и ближняя инфракрасная зона спектра). Режим съемки (моно, стерео): часть задач, таких как разработка и контроль исполнения генерального плана, успешно решаются с использованием одиночных снимков. Но для нужд, например, благоустройства необходимы более точные измерения, которые могут быть проведены только в стереорежиме. Таким образом, для более полного мониторинга предпочтительно выполнять стереосъемку.

2. Параметры съемки. Сезон съемки существенно влияет на качество

дешифрирования. Для распознавания зданий и сооружений наилучшим является безлиственный период, но в это время сложно дешифрировать зеленые насаждения, для которых оптимальным является лето-начало осени. Периодичность съемки: для решения большинства градостроительных задач периодичность съемки составляет 1 раз в год. В отдельных случаях, например, для выявления территорий с новым строительством или благоустраиваемых земель, требуется проведение съемки 2 раза в год [2]. Поэтому, учитывая также сезонное влияние, можно рекомендовать съемку дважды в год: в безлиственный период и при полной вегетации растений. Облачность: как правило, стандартный заказ космической съемки

подразумевает облачность не более 20 %. В этом случае на снимках Ikonos, QuickBird под облаками может быть скрыто 25-50 кв. км земной поверхности, что является совершенно недопустимым для многоконтурной городской территории. Максимальное значение разреженной облачности не должно превышать 5 %. Углы наклона: космические сенсоры сверхвысокого разрешения могут отклоняться до 30-45 градусов от надира. Это повышает вероятность проведения безоблачной съемки и сокращает время получения снимков. Но с другой стороны, на снимках возникают перспективные искажения зданий и сооружений, которые могут достигать 30-50 м в районах многоэтажной застройки. Перспективными изображениями будут закрыты значительные площади: придомовая территория, проезды и даже основания

домов, расположенных на другой стороне проездов. Поэтому необходимо ограничить угол наклона снимков. Предельный угол наклона, рассчитанный согласно [5], составляет 30 градусов для стереоснимков и 10 градусов для одиночных изображений.

3. Поставка данных. Предварительная обработка снимков должна включать минимум операций, желательна только радиометрическая коррекция без геометрических преобразований. Размер снимков: космическая съемка ведется в виде полос стандартной для каждого КА ширины и различной длины, зависящей от размера участка съемки, ресурса спутника и других причин. Например, изображения QuickBird могут иметь ширину 16,5 км, а длину от 5 до 150-200 км. Конечно, чем больше размер снимков, тем меньшее их количество потребуется для той или иной территории, меньше времени на фотограмметрическую обработку и соединение (сводку) смежных снимков при изготовлении фотопланов. Но надо иметь в виду, что точность RPC-коэффициентов, а следовательно, и точность фотограмметрической обработки, понижается с увеличением размера снимков. Поэтому при проведении высокоточных работ длину снимков необходимо ограничивать до 2-3 значений ширины (т. е. для примера со снимками QuickBird - не более 50 км). Детальная космическая съемка, как правило, ведется с радиометрическим разрешением 10-11 бит на пиксель, что позволяет фиксировать даже небольшие различия яркости на местности. Пользователю такие снимки доставляются с динамическим диапазоном 16 либо 8 бит/пкс. Обычно 8 бит/пкс достаточно, чтобы отразить все нюансы местности. Если же съемка велась в условиях недостаточной освещенности или при сильных контрастах, например, поздней осенью или зимой, целесообразно использовать изображения с максимальным динамическим диапазоном, т. е. 16 бит/пкс.

Фотограмметрическая обработка снимков

Так как речь идет об обработке разновременных снимков одной и той же территории, целесообразно разбить на местности планово-высотную съемочную сеть и использовать одни и те же опорные точки при обработке последующих снимков. Для этого в городе выбираются базовые объекты -четкие, однозначно опознающиеся на снимках элементы местности, которые послужат точками планово-высотной сети.

Возникает вопрос о плотности и схеме размещения базовых объектов. На эти параметры в первую очередь влияют тип съемочной системы, уровень предварительной коррекции данных, качество предоставляемой дополнительной информации (например, уточненное значение фокусного расстояния, точность RPC) и метод уравнивания снимков (строгий, на основе RPC, универсальный). Проведенные нами экспериментальные работы показали, что, используя девять равномерно расположенных опорных точек, можно получить качественные результаты независимо от типа съемочной системы и выбранного метода уравнивания. Поэтому при проектировании планово-высотной сети целесообразно придерживаться именно этой схемы.

Учитывая, что мониторинг территории будет вестись многие годы, в качестве базовых объектов необходимо выбирать четкие долговременные контуры, не меняющиеся во времени - углы современных многоэтажных жилых и офисных строений, объекты историко-культурного наследия, железнодорожной инфраструктуры и т. д.

Однако часть базовых объектов с течением времени может все-таки исчезнуть с лица земли вследствие плановой реконструкции района или в результате чрезвычайного происшествия. В этом случае фотограмметрическую обработку нового снимка предлагается выполнять следующим образом.

Из опорных и новых снимков посредством связующих точек создается псевдоблок (в качестве опорных выступают космические снимки, полученные в первом цикле мониторинга). На опорных снимках опознаются базовые объекты, и их координаты аналитически передаются на новые снимки. В результате мы получаем ориентированные новые снимки для построения стереомодели или ортотрансформирования.

Уравнивание каждого нового снимка посредством псевдоблока преследует две цели. Первая - качественное ориентирование даже при малом количестве опорных точек. Вторая - минимизация расхождений в координатной привязке всех последующих снимков, обусловленная лишь ошибкой взаимного ориентирования. Второе условие приобретает особое значение при автоматизации выявления изменений, где необходима субпиксельная привязка старого и нового снимка друг к другу.

Рельеф местности остается постоянным на протяжении длительного времени, поэтому цифровая модель рельефа (ЦМР) для ортотрансформирования снимков строится только один раз в начале мониторинговых работ. В дальнейшем может потребоваться лишь локальная корректировка ЦМР в местах кардинального изменения рельефа в результате активного антропогенного вмешательства.

Дешифрирование

Визуальное дешифрирование всей городской территории, чрезвычайно насыщенной, потребует длительного времени. В то же время автоматическая классификация детальных спутниковых изображений мало эффективна в городских условиях вследствие слишком большого разнообразия спектральных, текстурных и пространственных характеристик [6]. Компромисс видится в следующей схеме. Методами автоматизированного выявления изменений, т. н. change detection, определяются зоны произошедших на местности изменений. Эта процедура проводится по двум разновременным ортофотопланам - текущему и предыдущему. В выявленных зонах выполняется визуальное дешифрирование по текущим ортофотопланам и стереомоделям и фиксация изменений на цифровом картматериале.

Дешифрирование выполняется более успешно с использованием ведомственных материалов - дежурных планов, выданных разрешений на строительство, планов реконструкции дорожных развязок и т. п. Поэтому

на этапе подготовительных работ необходимо обратить внимание на межведомственный обмен информацией.

Хранение материалов

Предложенная схема фотограмметрической обработки и дешифрирования снимков определяет перечень материалов, подлежащих хранению. В частности, для фотограмметрической обработки:

- Опорные необработанные космические снимки,

- Каталог и описание базовых объектов,

- Проект ориентирования опорных снимков, в который будут подключаться последующие снимки для создания псевдоблока;

- Цифровая модель рельефа.

Для процедуры change detection и дешифрирования:

- Ортофотопланы,

- Цифровой картографический материал.

Выводы

Оперативный мониторинг городских территорий возможен на основе спутниковых снимков сверхвысокого разрешения. Для эффективного проведения работ стандартная технология обработки космических снимков должна быть усовершенствована. В статье рассмотрены пути реализации отдельных технологических этапов. В частности, сформулированы требования к параметрам космических снимков - пространственному и радиометрическому разрешению, спектральному диапазону, периодичности и сезону съемки и др. Фотограмметрическая обработка снимков проводится посредством совместного уравнивания старых и новых снимков с опорой на базовые объекты. Выявление и фиксация произошедших на местности изменений проводится в два этапа: автоматизированное выявление зон, в которых произошли изменения, и затем детальное визуальное дешифрирование в выявленных зонах. Определен перечень материалов, подлежащих постоянному хранению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антонов А.А. Мониторинг градостроительной деятельности на территории Московской области в рамках работ по Генеральному плану развития территории Московской области / А.А. Антонов, Б.С. Фельдман, Р.С. Фельдман // Сборник тезисов Третьей Международной конференции «Земля из космоса - наиболее эффективные решения», Москва, Россия, 2007 г.

2. Атаманов С.А. Особенности аэрокосмического мониторинга состояния земель московского мегаполиса / С.А. Атаманов //Геодезия и аэрофотосъемка, 2005, № 6.

3. Большаков В.Н., Качак В.В., Коберниченко В.Г. и др. Экология: Учебник. М., Логос, 2005, 504 с.

4. Коберниченко В.Г. Методы синтеза изображений на основе данных дистанционного зондирования Земли различного разрешения / В.Г. Коберниченко, В.А. Тренихин //Успехи радиоэлектроники, 2007, № 3.

5. Морозова Т.Г., Информационная система обеспечения градостроительной деятельности / Геодезия и картография, 2006, № 12.

6. Соколова Н.А. Технология крупномасштабных аэротопографических съемок. М., Недра, 1973, 184 с.

7. Safia A., He D.C., Belbachir M.F., Bounoua L. A precise texture-color based Forest detection in urban environment in Proc. ISPRS Hannover Workshop 2007:High-Resolution Earth Imaging for Geospatial Information, Hannover, Germany, May 29 to June 1, 2007.

8. Volpe F., Rossi L. Mapping Towns from QuickBird Imagery. GIM international, May 2005, Volume 19, Issue 5.

© А.А. Алябьев, Е.А. Кобзева, С.В. Серебряков, 2008