РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2016, том 3, выпуск 1, c. 28–33
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
УДК 528.92: 778.4: 629.78
Создание трехмерных моделей местности
с использованием материалов съемки
космического аппарата типа «Ресурс-П»
А. А.Пешкун
НЦ ОМЗ АО «Российские космические системы»
e-mail: peshkun_aa@ntsomz.ru
Аннотация. В настоящее время российская группировка космических аппаратов дистанционного зондирования Земли располагает
двумя аппаратами типа «Ресурс-П», которые позволяют выполнять стереосъемку земной поверхности на одном орбитальном
витке.
Для построения моделей были использованыматериалысъемки аппаратурой «Геотон» в панхроматическом диапазоне
с разрешением 1 м. Модели были созданы с использованием цифровой фотограмметрической станции PHOTOMOD в автоматическом
режиме с применением методов автоматической фильтрации ошибочных измерений.
В статье рассматриваются трехмерные модели местности, созданные по стереопарам с разными углами конвергенции на
одну территорию, и сравниваются между собой по точности и полноте отображения объектов. Целью сравнения является
определение оптимальных параметров стереосъемки земной поверхности.
Ключевые слова: «Ресурс-П», стереосъемка, стереопара, цифровая модель местности
Creating of 3D Surface Models
Using “Resurs-P” Spacecraft Images
A. A.Peshkun
Research Center for Earth Operative Monitoring of Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: peshkun_aa@ntsomz.ru
Abstract. At the present time the Russian Earth remote sensing spacecraft group includes two spacecraft of “Resurs-P” type that
allow to perform stereo survey of the Earth surface on one orbit circuit. “Geoton” sensor images (panchromatic band with 1 meter
resolution) were used to create the models. These models were created automatically by means of the digital photogrammetric station
PHOTOMOD. The article contains the information about 3D surface models created from stereo pairs with different convergence
angles for the same territory. It is noted that these models are compared with each other from the accuracy and completeness
of objects’ reflection. The purpose of the comparison is to determine the optimal parameters for the Earth surface stereo survey.
Key words: “Resurs-P”, stereo survey, stereo pair, digital surface model
Стр.1
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
Внастоящее время наорбитеэксплуатируются
два космических аппарата типа «Ресурс-П»
(№1 выведен на орбиту 25 июня 2013 г., №2 —
26 декабря 2014 г.). Аппаратыпредназначеныдля
обновления карт, обеспечения хозяйственной деятельности
различных федеральных, областных, муниципальных
ведомств и других потребителей,
а также получения информации в области контроля
и охраныокружающей среды.
Целевая аппаратура:
• оптико-электронный комплекс «ГЕОТОН-Л1»
с СППИ «САНГУР-1У» («Ресурс-П» №1,
«Ресурс-П» №2);
• гиперспектральная аппаратура — ГСА («Ресурс-П»
№1, «Ресурс-П» №2);
Та б л ица 1. Основные характеристики аппаратуры
«ГЕОТОН-Л1»
Наименование характеристики
Фокусное расстояние, мм
Диаметр входного зрачка, мм
Относительное отверстие
Угол поля зрения, ◦
Размер фоточувствительного элемента, мкм:
панхроматический
спектральный
Проекция пикселя на поверхность Земли, м:
впанхроматическом диапазоне
в узких спектральных диапазонах
Ширина полосызахвата, км
Спектральные диапазоны, мкм:
панхроматический
синий
зеленый
красный
красный 2
крайний красный
ближний инфракрасный 1
ближний инфракрасный 2
Количество одновременно используемых
спектральных диапазонов
Разрядность линейного кодирования
видеоинформации, бит/пиксель
Значение
4000
500
1 : 8
5◦18
6×6
18×18
1,0
3,0–4,0
38
0,62–0,79
0,48–0,53
0,54–0,59
0,62–0,68
0,66–0,69
0,70–0,75
0,72–0,80
0,81–0,88
1–5
10
29
• комплекс широкозахватной мультиспектральной
съемочной аппаратуры(ШМСА) высокого
и среднего разрешения: ШМСА-ВР,
ШМСА-СР («Ресурс-П»№1, «Ресурс-П»№2).
Научная аппаратура:
• комплекс исследования галактических лучей
сверхвысоких энергий— «Нуклон» («Ресурс-П»
№2).
Также на борту космического аппарата «Ресурс-П»
№2 установлен бортовой радиокомплекс
БРК АИС, предназначенный для приема радиосигналов
с морских судов и их автоматической идентификации.
Та
б л ица 2. Основные характеристики комплекса
ШМСА
Наименование
характеристики
Оптическая система:
фокусное расстояние, мм
относительное отверстие
угол поля зрения, ◦
Проекция пикселя на
поверхность Земли, м:
впанхроматическом
диапазоне
вузких спектральных
диапазонах
Спектральные
диапазоны, мкм:
панхроматический
синий
зеленый
красный
ИК1
ИК2
Размер фоточувствительного
элемента, мкм:
панхроматический
спектральный
Разрядность линейного
кодирования видеоинформации,
бит/пиксель
5×5
10×10
12
0,43–0,7
0,43–0,51
0,51–0,58
0,60–0,70
0,7–0,9
0,8–0,9
40
1 : 4
54◦30
Ширина полосызахвата, км 441,7
59
118
200
1 : 3
11◦70
97,2
12
23,8
Значения характеристик
ШМСА-СР ШМСА-ВР
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Стр.2
30
А. А.ПЕШКУН
Маршрутная съемка
Рис. 1. Съемка с постоянным креном и тангажом
Та б л ица 3. Основные характеристики гиперспектральной
аппаратуры
Наименование характеристики
Полоса захвата, км
Проекция пикселя на поверхность
Земли, м
Спектральные диапазоны, мкм
Количество каналов
Спектральное разрешение, нм
Значение
30
25–30
0,4–1,1
не менее 96
5–10
Таблица 4. Параметрыорбиты
Наименование
характеристики
Тип
Высота, км
Наклонение, ◦
Периодичность
наблюдения, сут
Значение
околокруговая
солнечно-синхронная
470–480
97,28
не более 3
Режимы съемки
Маршрутная съемка. Съемку в маршрутном
режиме можно выполнять как с постоянным значением
углов крена и тангажа (см. рис. 1), так и с заданным
азимутом (рис. 2). Отклонение КА по крену
и тангажу от надира возможно до ±45◦,по рысканию
— до ±60◦. Длительность маршрутов — от 2
до 300 с.
Построение трехмерной модели
местности
Материалыстереосъемки стали исходными данными
для создания трехмерных моделей местности,
которые рассматриваются в настоящей статье.
Ключевой характеристикой стереопарыявляется
отношение базиса фотографирования2 к высоте
фотографирования — B/H.
При значениях соотношения B/H,близких
к1,уголконвергенции3 составляет около 54◦.Если
стереосъемку выполнять с равными отклонениями
по тангажу, то углыотклонения в таком случае
составят около 27◦. Плюсытаких параметров стереосъемки:
большой угол конвергенции позволяет
повысить точность измерений по стереопаре, большая
площадь стереопары. Минусы: теневые зоны
1Стереопара —совокупность двух изображений одного и того
же объекта, полученных с двух различных точек съемки.
2Базис фотографирования — расстояние между двумя соседними
точками фотографирования.
3Угол конвергенции стереопары— угол, который образуют
пересекающиеся проектирующие лучи снимков стереопары
в базисных плоскостях для одноименных точек.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Рис. 2. Съемка с заданным азимутом
Стереосъемка. Стереосъемка — это получение
стереопары1 изображений фотографическим
способом. Стереосъемка выполняется на одном
витке с отклонением аппарата по тангажу. Длина
маршрутов — до 115 км.
Стр.3
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
31
Рис. 3. Площадная съемка
Рис. 4. Стереосъемка
Рис. 5. Большее отношение B/H
на горные районыи районыс высокоэтажной застройкой;
для построения ортофотоплана нужно
выполнять дополнительную съемку с малыми углами
отклонения от надира или использовать снимок
стереопарыс отклонением от надира более 20◦.
В мировой практике при сканерной стереосъемке
на одном витке (с отклонениями по тангажу)
соотношение B/H подбирают в зависимости от перепада
высот на снимаемой территории. Так, оптимальными
соотношениями B/H являются значения
около 0,5. Для горных районов это соотношение
уменьшают, а для равнинных увеличивают. Таким
образом, углыконвергенции варьируются в пределах
от 30◦ до 45◦. Для создания ортофотоплана
стереосъемку можно выполнить с разными углами
отклонения оптической оси от надира по тангажу
(например, +20◦ и −10◦),стем чтобыдляортотрансформирования
использовать снимок с меньшим
углом отклонения от надира.
Рис. 6. Меньшее отношение B/H
Для создания трехмерных моделей местности
были выполнены стереосъемки космическим аппаратом
«Ресурс-П» №1 аппаратурой «ГЕОТОН-Л1»
в панхроматическом диапазоне на тестовый участок
с различными углами отклонений по тангажу.
По результатам съемки были сформированы четыре
основные стереопары (по критерию съемки на
одном витке — A, B, C, D) и четыре дополнительные
(подобраны по углу конвергенции). В результате
получилось 8 стереопар на одну территорию,
но с разными углами конвергенции и соотношениями
B/H. Для фотограмметрической обработки были
использованыматериалыуровня обработки 1А.
Каквидно из рис.7итабл.5,по своим параметрам
есть схожие стереопары: A и B, C и D,
G и H. Образующие их снимки имеют схожие по
величине углыотклонения от надира по тангажу.
Фотограмметрическая обработка выполнена
с использованием PHOTOMOD. В процессе обраРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Стр.4
32
А. А.ПЕШКУН
Рис. 7. Сформированные стереопары
Та б л ица 5. Параметрысформированных стереопар
Стереопара
Угол отклонения
от надира, ◦
A
B
C
D
E
F
G
H
Снимок №1 Снимок №2
32,5
12,9
12,0
36,5
Триплет
47,2
2,5
2,5
44,1
Дополнительные стереопары
32,5
12,9
2,5
32,5
36,5
12,0
36,5
2,5
46,6
44,4
68,4
22,7
37,3
32,5
ботки был сформирован блок из 7 снимков. Для
выполнения блочного уравнивания и уточнения
внешнего ориентирования снимков использованы
7 опорных и 76 контрольных точек (см. рис. 8).
После уравнивания выполнено построение
5 цифровых моделей местности (далее — ЦММ).
Четыре ЦММ построены по стереопарам с наименьшими
ошибками по высоте при уравнивании
(выделены зеленым в табл. 6). Одна дополнительная
ЦММ (см. рис. 9) построена с применением
нового алгоритма фотограмметрической станции
PHOTOMOD построения плотных ЦММ (с использованием
многократных перекрытий) с использованием
всех семи снимков.
Угол конвергенции,
◦
44,2
46,3
Рис. 8. Схема расположения опорных и контрольных
точек
Рис. 9. Фрагмент цифровой модели местности №5
Заключение
Как видно из табл. 6 и 7, для построения
ЦММ использовались стереопарыс углами конвергенции
около 45◦ (отношение B/H составляет
около 0,8) и около 33◦ (отношение B/H составляет
около 0,5). Приэтомихточностныехарактеристики
сопоставимы. В данной ситуации наиболее
предпочтительной является стереопара H,так как
она состоит из снимков, один из которых практическинеотклоненот
надира(2,5◦)—этопозволит
построить ортофотоплан с минимумом искажений.
Также стоит обратить внимание на стереопары
B и G. Эти стереопарыимеют схожие по параметрам
съемки, соответственно, стереопары A и H.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
Стр.5
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
Та б л ица 6. Результатыуравнивания блока из 8 стереопар
33
A 44,2
B 46,3
C 46,6
D 44,4
F 22,7
E 68,4
G 37,3
H 32,6
4
5
4
4
3
5
5
4
53
65
43
43
55
58
58
52
0,71
3,10
1,15
1,13
0,84
4,02
1,34
1,16
1,33
9,06
2,65
2,84
0,87
5,74
11,17
2,09
Та б л ица 7. Оценка точности созданных цифровых моделей
местности
Стереопара,
№
A
C
D
H
№5
Количество
контрольных
точек, шт.
40
23
29
23
49
Максимальная
ошибка, м СКО, м
5,26
6,24
8,95
5,66
12,17
2,00
2,76
3,54
3,65
6,13
Однако точность ориентирования стереопар B и G
практически в два раза хуже, чем у стереопар A
и H.Также стереопары F и E имеют максимальные
ошибки по высоте на контрольных точках более
семи метров. Стереопары B, F, E и G объединяет
наличие в них как минимум одного снимка из
стереопары B.Встереопарах A, C, D и H снимков
из стереопары B нет. Причиной такого результата
может служить геометрия снимков стереопары B.
Основными причинами плохой геометрии снимков
стереопары B могут служить следующие факторы:эволюцииКАвпроцессесъемки,углы
отклонения
от надира, перепад высот на местности,
облачность. Углыотклонения снимков от надира
устереопары B сопоставимыс углами отклонения
снимков от надира стереопары A,однако результаты
0,48
2,38
0,70
0,70
0,55
3,20
1,03
0,72
0,83
7,20
1,50
1,68
0,64
4,46
7,69
1,20
4,39
3,64
3,35
3,32
3,60
4,93
3,16
3,40
6,33
10,73
5,64
6,17
10,38
7,94
13,94
5,96
1,88
2,24
1,92
2,00
1,58
3,23
1,79
1,78
2,64
6,69
3,05
3,61
4,68
4,49
9,37
3,26
ориентирования стереопары A существенно лучше.
Это говорит о том, что углыотклонения космического
аппарата от надира при съемке на геометрию
снимка не оказывали большого влияния, как
и перепад высот на местности (территория снималась
одна и та же). Третий снимок триплета (второй
снимок стереопары D) снят в условиях, схожих
с условиями съемки второго снимка стереопары B,
даже с б´
ольшим углом отклонения по тангажу. Однако
точность ориентирования стереопары D по
некоторымпараметрамболее чем в дваразалучше,
чем точность ориентирования стереопары B.
Это подтверждает предположение о низком влиянии
на геометрию углов отклонения космического
аппарата при съемке и перепада высот снимаемой
местности.
Стереосъемка выполнялась в разные дни при
разных метеоусловиях. Облачность присутствует
на всех семи снимках. В данном случае различный
характер облачности в дни съемок и мог стать важным
фактором, повлиявшим на геометрию снимков
стереопары B. Для подтверждения или опровержения
данного предположения необходимо проведение
ряда дополнительных исследований и проверок,
так как в данной ситуации могут присутствовать
дополнительные факторы, влияющие на геометрию
снимков.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 3 вып. 1 2016
№стереопары
Угол конвергенции, ◦
Количество опорных
точек, шт.
Количество контрольных
точек, шт.
Максимальная ошибка
на опорных точках
в плане, м
Максимальная ошибка
на опорных точках
по высоте, м
СКО на опорных точках
в плане, м
СКО на опорных точках
по высоте, м
Максимальная ошибка
на контрольных точках
в плане, м
Максимальная ошибка
на контрольных точках
по высоте, м
СКО на контрольных
точках в плане, м
СКО на контрольных
точках по высоте, м
Стр.6