Модуль картографической привязки аэроизображений для комплексов дистанционного мониторинга

МОДУЛЬ КАРТОГРАФИЧЕСКОМ ПРИВЯЗКИ АЭРОИЗОБРАЖЕНИИ ДЛЯ КОМПЛЕКСОВ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА

Т.П. Грызлова, И.В. Сухарева, В.Г. Шаров

Аэроизображения поверхности земли в инфракрасном и оптическом диапазоне, сделанные кадровыми и строчными камерами, позволяют получить информацию о характеристиках снимаемой местности и об объектах естественного и искусственного происхождения. Качество и полезность этой информации существенно зависят от точности картографической привязки изображений. Под термином картографическая привязка (Georefe-rencing) понимают методы, процесс и результат восстановления условий съемки, знание которых необходимо для однозначного определения картографических координат каждой точки изображения на этапе дешифрации [1]. Разработанный программный модуль предназначен для определения картографических координат объектов по аэроизображениям в комплексах дистанционного мониторинга. Программный модуль картографической привязки реализован на языках С++ и Pascal и может быть использован на платформах семейства Windows и Unix.

Модуль картографической привязки изображений является составной частью программно-аппаратного комплекса дистанционного мониторинга, где он входит в состав программного обеспечения автоматизированного рабочего места де-шифровщика изображений. Входными данными для него являются измеренные или априорные значения элементов внешнего ориентирования кадрового изображения или строк строчного изображения и вектор координат опорных точек в картографической системе и системе координат изображения. В случае когда учитывается рельеф земной поверхности, цифровая модель рельефа должна входить в состав входных параметров. Результатом работы модуля являются оценки элементов внешнего ориентирования кадрового изображения или каждой строки строчного изображения. По ним рассчитываются картографические координаты любой указанной оператором точки изображения и формируется протокол дешифрации.

На диаграмме потоков данных (рис.1) для модуля картографической привязки выделяются три основных процесса. Первый из них, преобразование координат снимок-снимаемая плоскость, производится по формулам, предлагаемым фотограмметрией [2]. Преобразование координат снимаемая плоскость-рельеф (процесс 1.2) заключается в поиске точки пересечения луча проектирования и цифровой модели поверхности земли.

Наибольший интерес представляет процесс оптимальной оценки элементов внешнего ориентирования изображения. Этот процесс собственно и является картографической привязкой изображений. Исходные данные для него - элементы ориентирования, измеренные датчиками или известные априорно, и информация о произвольном числе опорных точек. Для кадровых и строчных изображений алгоритмы оценки отличаются.

Традиционно используются два метода картографической привязки кадровых изображений. Первый основан на использовании информации об опорных точках (ОТ), то есть точках на изображении с известными картографическими координатами, например, мостов, перекрестков дорог, строений. Точность привязки кадровых изображений по ОТ сопоставима с точностью карты, но для привязки необходимо не менее трех точек, не ле-

х

Изображение

1.1

Преобразование координат изображение - снимаемая плоскость

1.2

Преобразова ние координат снимаемая плоскость -рельеф

Х

Х

Х

Х

Цифровая

карта местности

а д

а 1_ ла Навигационные данные

1.3

Оптимальное оценивание элементов ориентирования

X- координаты точки в системе координат изображения х -

точки интереса, х,т - опорной точки);

Хпд - координаты точки в системе координат, введенной

условной снимаемой д

X- координаты точки в картографической системе X -

точки интереса, Х,т - опорной точки, X- переборное

значение);

а - элементы внешнего ориентирования изображения а^ -априорная оценка, од - измерения датчиками, Од+от - оценка по навигационным данным и ОТ, а-переборное значение).

Рис.1. Диаграмма потоков данных первого уровня

и

и

N

X

X

Р\ х, аД, ОТ\¥

( л ^ \

\ х, а) = тах

а

V

-тт

жащих на одной прямой, что чаще всего не выполняется. Второй метод предполагает, что элементы внешнего ориентирования изображения, то есть трехмерные координаты и углы ориентации камеры, измеряются навигационными датчиками. Достоинство метода привязки по навигационным данным заключается в возможности полной автоматизации процесса привязки. Однако его точность зависит от точности датчиков, что не всегда достаточно.

Предлагается комплексный метод картографической привязки кадровых изображений по навигационным данным и произвольному числу опорных точек, основанный на применении теории оптимального оценивания.

Картографические координаты X каждой точки изображения оцениваются по следующей информации: координатам х=(х,у) точки в системе координат изображения; элементам внешнего ориентирования изображения ад, измеренными датчиками, то есть по навигационным данным; априорно известным элементам внешнего ориентирования ала; информации о координатах N опорных точек ОТ=(ХоП, Хот1, ~;Хотк хотк), где Хот = (ХОТ, Уот) - координаты ОТ в картографической системе, а хот=(хот, уот) - в системе координат изображения.

Ищется оценка X, оптимальная в смысле максимума функции правдоподобия

графическую систему при известных элементах внешнего ориентирования [2].

Пренебрегая априорной информацией об элементах внешнего ориентирования ала, приведем формулу (1) к виду:

Р\ ад ¥ \ х

(ад - ~)У-Д1 (ад - г) + £ [(Х ^ - ¥ (хощ, (хт - ¥ (х ^ I

Р ( х, ад,

ОТ\ X

пгахР(х, ад, ОТ\X). Инфор-

мация о координатах ОТ используется как обучающая. Так как картографические координаты точек изображения связаны однозначной детерминированной зависимостью с элементами внешнего ориентирования, то оценка картографических координат каждой точки изображения сводится к оценке элементов ориентирования а по формуле, которая в предположении нормальности всех распределений может быть представлена в виде

Р\х, ад, ОТ|¥(х, а) = тш[(ад - а )уд-1 (ад - а У +

+ Е

1=1

где Уд, Ула, УЕ Хот - матрицы дисперсий измерений элементов ориентирования, априорной информации о них и суммарной ошибки оценки картографических координат опорных точек соответственно; ¥ - функция, преобразующая координаты точки из системы координат изображения в карто-

Таким образом, метод картографической привязки кадровых изображений по навигационным данным и опорным точкам сводится к оценке элементов внешнего ориентирования по (1) или (2). Картографические координаты каждой точки изображения рассчитываются по оценкам элементов ориентирования с помощью известного преобразования ¥.

Из известных методов картографической привязки строчных изображений более распространен метод привязки по навигационным данным, однако его точность может быть недостаточной. Привязка строчных изображений только по ОТ невозможна, так как в общем случае совокупность строк не является единой центральной проекцией и нельзя определить координаты точки съемки, общей для всего изображения.

Предлагаемый метод картографической привязки строчных изображений по навигационным данным и произвольному числу ОТ основан на применении метода оптимальной интерполяции [3]. Для решения задачи картографической привязки оцениваются элементы внешнего ориентирования всех строк изображения.

Для оценки элементов ориентирования строится оптимальный линейный нестационарный фильтр-интерполятор. На первом шаге работы фильтра-интерполятора, фильтрации в направлении оси времени, алгоритмы оценки переключаются в зависимости от наличия в строке ОТ. Для всех строк оценка производится по обычной схеме фильтрации [3]. Для строк, содержащих ОТ, полученная оценка уточняется по информации об ОТ с помощью метода, аналогичного разработанному для кадрового изображения. Структурная схема дискретного нестационарного фильтра для оценки элементов внешнего ориентирования приведена на рисунке 2. При этом для строк, содержащих ОТ, наблюдается скачкообразное уменьшение дисперсии ошибки оценки, что видно на примере (рис. 3). Эти скачки сглаживаются на втором шаге работы фильтра-интерполятора.

апостериорная дисперсия ]-го шага фильтрации

Усф+„Ш

дисперсия оценки а по

Оценка элементов ориентирования по ОТ

°д

афШ

К

И

о,

Задержка на такт

а

Ф

(матрица

линейной модели • оцениваемых параметров)

Рис. 2. Структурная схема дискретного нестационарного фильтра для оценки элементов внешнего ориентирования

Требуемая точность оценки элементов ориентирования достигается при достаточно простых моделях динамики летательного аппарата и ошибок датчиков. Предположим, что каждый элемент ориентирования является суммой детерминированной и случайной компонент ({¡)=Ос{])+ адешО). Детерминированная компонента адгт{})= А-/+Б описывается линейной функцией номера строки и оценивается по навигационным данным. Случайные компоненты элементов ориентирования и ошибки датчиков предполагаются взаимно некоррелированными случайными процессами и описываются моделями вида (Хс{]+1)=АЛаас{])+

БАа£аФ, П{]+1)=АлпПа)+Блп£п{]), где еы{]), е^О') - некоррелированные шумы. Параметры моделей АЛО, Бла, АЛф БЛщ оцениваются путем обработки данных имитационных и натурных экспериментов. Случайные компоненты оценивается нестационарным фильтром-интерполятором.

Для элементов ориентирования, измеряемых и не измеряемых датчиками, алгоритмы фильтрации различаются. Фильтрация элементов ориентирования, не измеряемых датчиками, происходит в режиме памяти. В случае когда элемент ориентирования измеряется датчиком, при синтезе фильтра ошибка датчика включается в вектор оцениваемых параметров, поскольку она не является белым шумом.

Описанный алгоритм интерполяции позволяет оценить элементы внешнего ориентирования каждой строки изображения. Картографические координаты каждой точки строки рассчитываются по оцененным элементам ориентирования с помощью того же преобразования Е, что и для кадрового изображения.

Для исследования разработанных комплексных методов картографической привязки построена имитационная модель комплекса дистанционного мониторинга, в котором координаты носителя измеряются спутниковой радионавигационной системой без использования дифференциального

режима, высота - баровысотомером, непосредственные измерения углов отсутствуют. Результаты моделирования показывают, что применение комплексного метода картографической привязки кадрового изображения по навигационным данным и опорным точкам даже при наличии одной ОТ дает ошибку картографической привязки не более 30 м, тогда как ошибка при привязке только по навигационным данным превосходит 120 м. При наличии трех и более ОТ ошибка привязки разработанным методом не превосходит ошибку привязки только по ОТ и соответствует точности карты. Комплексный метод картографической

50 0 -50 -100 -150

1, с

1 - истинное значение, полученное в результате имитационного эксперимента на прямолинейном участке движения;

2 - значение, измеренное спутниковой радионавигационной системой без использования дифференциального режима;

3 - оценка координаты фильтром в направлении оси времени;

4 - оценка координаты после сглаживания в направлении против оси времени;

5 - моменты появления опорных точек.

Рис. 3. Пример оценки координаты объекта нестационарным фильтром-интерполятором

привязки строчного изображения по навигационным данным и ОТ позволяет определять картографические координаты точек изображения с ошибкой не более 40 м при наличии хотя бы одной ОТ на изображении длиной до 15 км, что тоже намного меньше ошибки, равной 120 м, при использовании только навигационных данных. Таким образом, точность предлагаемых методов привязки кадрового и строчного изображений при наличии даже одной опорной точки удовлетворяет типичным требованиям, тогда как использование традиционных методов в рассматриваемом комплексе позволяет достигнуть требуемой точности только для кадрового изображения и при наличии не менее трех ОТ.

Разработанное программное обеспечение картографической привязки кадровых и строчных изображений с использованием предлагаемых комплексных методов привязки обеспечивает более высокую точность определения картографиче-

«

ских координат точек изображения по сравнению с традиционными методами привязки. Программный модуль может быть использован в комплексах дистанционного мониторинга.

Список литературы

1. Proceedings of Third International Airborne Remote Sensing Conference and Exhibition. - 1997.-V.1.-751 p., v.2. -825 p.

2. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. - М.: Недра, 1984. -520 с.

3. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. - М.: Связь, 1976. - 496 с .

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КЛИЕНТА И СЕРВЕРА

В геоинформационноИ СПРАВОЧНОЙ системе

С.Л. Беляков

Геоинформационные справочные системы (ГИСС) предназначены для хранения и обработки информации с пространственной привязкой. Информационная основа такого типа систем представляет собой неоднородную базу данных, размещенную в компьютерной сети. Сервер ГИСС ориентирован на обработку запросов, содержащих пространственные, временные и семантические параметры. Клиенты ГИСС формируют запросы исходя из визуального способа анализа информации пользователем. Данная особенность характерна для многих прикладных областей, где карты, схемы, планы наряду с автоматической обработкой подвергаются главным образом ручному анализу. Основными операциями здесь являются процедуры управления представлением изображения: наложение слоев, панорамирование, масштабирование, смена видовых экранов, частичная визуализация и т.д. По мере накопления информации возникают объективные трудности осуществления визуального анализа, обусловленные избыточностью получаемой по запросу информации. Одним из возможных путей решения проблемы является использование специальных протоколов взаимодействия клиентов и сервера. В данной работе анализируется информационный обмен с соединением и без соединения [1] на прикладном уровне ГИСС. Цель анализа - определить для каждого из способов специфичные функции, которые должны реализоваться клиентами и сервером.

Традиционно информационный обмен без соединения предполагает отсутствие этапа установки согласия на взаимодействие и согласование параметров качества обслуживания [1]. На нижних уровнях управления при высокой надежности каналов это позволяет сократить избыточность информации.

На прикладном уровне протокол без соединения приобретает особый смысл, связанный с установлением ограничений, в рамках которых обмен информацией будет проходить с меньшей избы-

точностью. Важность установления подобных правил обмена на верхних уровнях очевидна, поскольку многократно сокращает объем служебной информации нижних уровней.

Взаимодействие клиентов и сервера ГИСС обладает следующими особенностями. Запрос клиента явно или неявно указывает пространственную, временную и семантическую области отбора данных. Формируя ответ, сервер должен решить задачу максимизации информативности (I) ответа при ограничении на ресурсы (R): \ I ^ max, R < R0.

Здесь R - вектор ресурсов системы клиент/сервер, определяемых программными, аппаратными и коммуникационными средствами. Для решения данной задачи должны быть установлены правила определения информативности и оговорены ресурсные ограничения (R0). При отсутствии такого согласования клиент либо не получает ответа из-за невозможности сервером выполнить ресурсные ограничения, либо получает ответ с избыточностью. Таким образом, далее под взаимодействием с соединением будем рассматривать обмен в рамках предварительно согласованных правил определения информативности и ресурсных ограничений.

Взаимодействие клиента и сервера в рамках картографического образа

Богатое содержание карты ГИСС при решении пользователями локальных задач порождает избыточность. Например, при прокладке кабельной линии может рассматриваться только пространственная область между конечными точками соединения, включающая существующие коммуникации; временной диапазон даты постройки инженерных сооружений может устанавливаться приблизительно в пять-семь лет; из всех трубопроводов ограничиваются анализом только магистрали