Информационные свойства космических снимков сверхвысокого разрешения в свете градостроительных задач

УДК 528.7 Е.А. Кобзева

ФГУП «Уралгеоинформ», Екатеринбург

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ СВЕРХВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ В СВЕТЕ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ

Е.А. Kobzeva

FGUP «Uralgeoinform», Yekaterinburg

INFORMATION CHARACTERISTICS OF VERY HIGH RESOLUTION SATELLITE IMAGES IN VIEW OF URBAN PLANNING APPLICATIONS

The article gives the results of the experiment, which was performed in FGUP «Uralgeoinform» and concerns determination of IKONOS satellite imagery interpretation possibilities in view of urban planning applications. It shows, that very high resolution (1m and better) satellite images can be successfully and widely used by municipal services. Images in true or false color are useful for detecting buildings and vegetation. Stereo images are essential to take elevation measurements, eliminate perspective distortions and provide better discrimination of objects, such as footpaths in parks or fences. When using single images, it is recommended to avoid high off-nadir angles.

Два фактора объясняют внимание специалистов к применению космических снимков (КС) в интересах градостроительства: 1 - улучшение пространственного разрешения изображений, что позволяет решать новые, прежде нетрадиционные для КС задачи; 2 - увеличение числа спутников сверхвысокого разрешения (1 м и лучше) и, как следствие, повышение суммарной производительности съемочных систем и снижение стоимости данных. Для разработки технологии использования КС в градостроительстве необходимо оценить дешифровочные возможности спутниковых изображений. В докладе освещаются результаты исследования, проведенного в ФГУП «Уралгеоинформ», по изучению информационных свойств снимков с космического аппарата (КА) Ikonos на примере г. Екатеринбурга.

Екатеринбург расположен на восточном склоне Уральский гор на берегах реки Исеть и озера Шарташ. Население составляет 1,3 млн. человек, площадь 470 кв. км. В городе преобладает многоэтажная квартальная застройка, на окраинах сохраняется приусадебное хозяйство с мелкими одноэтажными строениями и развивается коттеджное строительство. Промышленная зона охватывает значительную территорию. Парки и скверы составляют зеленую зону. В настоящее время идет активное строительство жилых и офисных зданий, торговых центров, дорожных развязок.

Съемка проводилась в июле 2006 года в стереорежиме с одной орбиты при отношении базиса к высоте В/Н = 0,7. Исходные материалы были представлены в виде комплектов панхроматических и мультиспектральных изображений с пространственным разрешением 1 м и 4 м соответственно.

Для решения градостроительных задач требуется детальное отображение местности (см. статью Алябьева А.А., Кобзевой Е.А., Серебрякова С.В. «Особенности мониторинга городских территорий по космическим снимкам сверхвысокого разрешения» в этом же сборнике), поэтому к исходным мультиспектральным снимкам была применена процедура слияния изображений (pan-sharpening) для получения цветных снимков с пространственным разрешением 1 м. В процессе дешифрирования снимки неоднократно подстраивались по яркости и контрасту, чтобы лучше выделить исследуемый объект и ослабить влияние теней. Необходимо отметить и наличие незначительного количества яркостных дефектов, характерных для цифровых сканерных снимков и возникающих в случае слишком ярких объектов местности.

Жилые районы. Высотная застройка определяется без труда. Видны конфигурация зданий и крупные архитектурные детали. Однако нанести балконы или мелкие уступы невозможно. Перспективные искажения, значительные для высоких строений, учитываются путем использования стереорежима либо смещением контура зданий с изображения крыши на изображение основания.

Нанесение невысоких строений (1 -2 этажа) может быть затруднено наличием деревьев, скрывающих углы зданий. Дешифрирование застройки, особенно среди растительности, существенно облегчается при использовании цветных изображений в натуральных или ложных цветах.

Если необходимо определить высоту зданий, предпочтительно использовать стереорежим. Известный метод расчета высоты объекта на одиночном снимке по теням в городской среде осложнен тем, что тени падают на другие объекты и трудно вычислить длину тени. Расчет высот зданий по их перспективным искажениям (т.н. «завалам») не дает надежного результата для снимков с малыми углами наклона, а на надирных и вовсе невозможен.

Общественная и промышленная инфраструктура. Выделение социальных и общественно-культурных зданий выполняется по тем же признакам, что и на традиционных аэрофотоснимках: по форме, размеру, конфигурации, наличию стадионов возле школ, игровых площадок в детских садах, парковок, расположенных рядом с торговыми центрами.

Промышленные территории дешифрировать несложно по выраженной структуре, для которой характерны большие прямоугольные здания, наличие башен и труб, цистерн, кранов, наземных трубопроводов. Территория огорожена капитальным забором, а во внутренней части мало растительности. Объекты, как правило, крупные и имеют правильную геометрическую форму, что облегчает их распознавание и нанесение.

Дорожные сети. И широкие проспекты, и узкие улицы с двухполосным движением четко видны. Можно проследить даже свежую разметку на дорогах, однако нанести по снимкам дорожные знаки и светофоры, необходимые для транспортных служб, невозможно. Легко читаются дорожные развязки и мосты. Автопарковки распознаются по

асфальтированным площадкам, чаще правильной формы и наличию автомобилей. С привлечением косвенных признаков наносятся въезды во дворы. На открытых территориях можно определить длину и площадь дорожного покрытия и придорожных газонов. Тротуары распознаются не всегда уверенно. Затруднения также случаются из-за перспективных искажений высотных зданий, скрывающих часть объектов.

Железнодорожные пути прослеживаются по темному фототону, плавным поворотам, прилегающим станциям и вокзалам. Вдоль железных дорог можно распознать небольшие сооружения, переходные мостики, опоры ЛЭП и связи. Но шлагбаумы или карликовые светофоры не отображаются на снимках.

Озелененные территории. Парки и скверы без труда видны на снимках. Легко определить их общую площадь и площадь древесных насаждений. Для целей благоустройства важным является дешифрирование внутренней структуры парка: тропиночной сети, построек, водоемов. Из-за раскидистых крон эти объекты распознаются уверенно только в стереорежиме.

Другие объекты. По КС сверхвысокого разрешения удобно отслеживать территории нового строительства и даже определять фазу строительства: котлован, первые этажи, подведение под крышу. Интегрировав в ГИС информацию, полученную по снимкам и по разрешительным документам, легко выявлять зоны незаконного строительства и контролировать соответствие фактического освоения земель выданным лицензиям.

Мониторинг гаражей необходим ежегодно. На снимках легко идентифицируются скопления бетонных и металлических гаражей, бывших популярными 5-15 лет назад. Одиночные металлические гаражи могут быть перепутаны с другими легкими постройками или совсем пропущены среди деревьев. Также и современные гаражи, представляющие собой капитальные многоэтажные здания, не могут быть опознаны дистанционно как гаражи.

Ограждения и заборы, как правило, распознаются по космическим снимкам. Исключения составляют заборы из проволоки или сетки. В отдельных случаях, на открытой местности этот вид ограждений распознается по падающей тени. По результатам нашего эксперимента, нанесение ограждений в стереорежиме выполняется с точностью в 1,5 раза более высокой, чем по одиночным снимкам.

Опоры ЛЭП и связи, с фонарями и без них читаются по падающей тени. В насыщенной контурами городской местности столбы могут быть легко пропущены. Применение стереорежима не улучшило существенно надежность распознавания опор.

Выводы. Таким образом, по космическим снимкам сверхвысокого разрешения (1 ми лучше) успешно распознается большинство объектов городской инфраструктуры. Для дешифрирования застройки и растительности предпочтительны цветные изображения в натуральном или ложном цвете. Стереорежим необходим для измерения высотных характеристик, устранения перспективных искажений, а также для более уверенного распознавания таких объектов, как пешеходные дорожки в парках

или ограждения. При применении одиночных снимков рекомендуется избегать больших углов наклона.

© Е.А. Кобзева, 2008