Czasopismo poświęcone geodezji, fotogrametrii i kartografii

Transkrypt

1 Czasopismo poświęcone geodezji, fotogrametrii i kartografii Organ Stowarzyszenia Geodetów Polskich Warszawa MAJ 2005 ROK LVII NR 5 ZDZISŁAW KURCZNSKI WIESŁAW WOLNIEWICZ Politechnika Warszawska Ocena przydatności obrazów satelitarnych o bardzo dużej rozdzielczości (VHRS) do tworzenia bazy danych topograficznych Streszczenie. W ostatnich latach prowadzone są w Polsce, na skalę nie mającą precedensu w przeszłości, projekty z zakresu Systemów Informacji Przestrzennej. Prace te dotyczą m. in. zakładania Bazy Danych Topograficznych (TBD), zawierającej Numeryczny Model Terenu (NMT), cyfrową ortofotomapę oraz bazę danych wektorowych o dokładności i szczegółowości treści zbliżonej do tradycyjnej mapy topograficznej w skali 1: Produkty te wytwarzane są w oparciu o zdjęcia lotnicze w skali 1: Główny Urząd Geodezji i Kartografii wraz z Politechniką Warszawską prowadzi projekt badawczy, którego celem jest odpowiedź na pytanie czy i w jakim stopniu wysokorozdzielcze obrazy satelitarne mogą być przydatne do zakładania TBD. Dla tego celu wybrano trzy obszary testowe: zurbanizowany, rolniczy i podgórski, pokryte obrazami systemów Ikonos, QuickBird i EROS. Głównym celem badawczym jest ortorektyfikacja tych obrazów i utworzenie bazy danych wektorowych. Wyniki badań pozwolą ocenić przydatność obrazów satelitarnych dla tworzenia baz danych topograficznych i zgodność ze standardem TBD ekstrakcji obiektów topograficznych, możliwej na ich podstawie. Evaluation of usefulness of Very High Resolution (VHRS) satellite images for creation of a topographic data base Abstract. In recent years Poland has carried out significant projects within the scope ofspatial Information Systems (SIP) on a scalę hitherto unknown. These projects consistofthe development of databases of a national reach encompassing Digital Terrain Model (DTM), digital orthophotomaps and digital vector maps. These products are based on new 1:26000 aerial photography. Questions arise regarding the relevance of such images for the development of topographic databases with the level ofprecision of 1:10000 topographic maps. GUGiK, in collaboration with Warsaw University of Technology, is preparing an investigative theme which should answer the ąuestion ifand to what degree such images can be useful in creating a topographic database. For this purpose three test areas have been selected: urban area, rural and mountainous. For these areas very high resolution images from Ikonos, QuickBird and Eros system were purchased. The main goal ofinvestigation are the orthorectification and creating ofvector topographic database. The results of carried works will enable to assess the usefulness ofused imagery for creating of such database and compliance of possible extracted features with the standard of TBD. PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

2 Tło projektu Polska jest obecnie w fazie istotnych przemian gospodarczych. W zakresie geodezji i kartografii trwają prace o skali, w zakresie i tempie nie notowanych wcześniej. Mowa tu miedzy innymi o pokryciu Polski nowoczesnymi produktami geodezyjno-kartograficznymi w wersji numerycznej, takimi jak: aktualne zdjęcia lotnicze, - Numeryczny Model Terenu (NMT), - ortofotomapa, - baza danych wektorowych funkcjonująca w środowisku GIS. Produkty te stanowią referencyjne warstwy tworzonych systemów informacji przestrzennej o różnej szczegółowości i zasięgu obszarowym. Posiadanie takich produktów jest warunkiem harmonijnego rozwoju, zwłaszcza w zakresie działań dotyczących ładu przestrzennego państwa (planowanie zagospodarowania przestrzennego, rolnictwo, ochrona środowiska, osłona przed klęskami żywiołowymi i inne). Dużym i bardzo pilnym wyzwaniem stało się stworzenie Systemu Identyfikacji Działek Rolnych (LPIS) w ramach IACS, będącego warunkiem i podstawą do korzystania z dopłat bezpośrednich UE dla rolnictwa. Główny Urząd Geodezji i Kartografii (GUGiK) w ramach swojej statutowej działalności pełni inicjującą rolę w zakresie wytwarzania i utrzymania w stanie aktualności produktów geodezyjno-kartograficznych. W tym zakresie współpracuje również z Agencją Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa (ARiMR) oraz Zarządem Geografii Wojskowej Sztabu Generalnego Wojska. Jedną z ambitniejszych i pilniejszych potrzeb jest wytworzenie bazy danych topograficznych na poziomie dokładności i szczegółowości odpowiadającej w przybliżeniu tradycyjnej mapie topograficznej w skali 1: Kilka lat temu GUGiK podjął prace w tym zakresie w formie pilotażowych opracowań. W wyniku tych działań został wypracowany nowy standard, ujęty w Wytyczne techniczne Baza Danych Topograficznych (TBD)". Na Bazę Danych Topograficznych (TBD) składają się następujące komponenty główne: - baza Numerycznego Modelu Terenu o dokładności wysokościowej l m, - baza ortofotomap z pikselem terenowym 0,5 m i dokładności sytuacyjnej 1,5 m (tj. 3 piksele), - ciągła", przestrzennie wektorowa baza danych topograficznych o dokładności i zakresie treści odpowiadającej tradycyjnej mapie topograficznej w skali 1: Podstawowym materiałem źródłowym dla wytworzenia ww. komponentów są zdjęcia lotnicze i ich opracowanie fotogrametryczne. Wytworzenie produktów o jakości zgodnej z Wytycznymi technicznymi" wymaga skali zdjęć z przedziału 1: : W Polsce wykonywane są standardowo zdjęcia w skali 1: Wytyczne techniczne" nie wykluczają jednak stosowania innych danych źródłowych, takich jak wysokorozdzielcze obrazy satelitarne, zdjęcia wykonane lotniczą kamerą cyfrową, czy skaning laserowy. Trwają prace wdrożeniowe nad tworzeniem bazy danych TBD. Należy jednak zdawać sobie sprawę z ogromu przedsięwzięcia: kraj pokrywa ponad modułów TBD (moduł TBD odpowiada arkuszowi mapy topograficznej w skali l: 10000). Powstaje produkt w najnowszych technologiach, ale tempo jego tworzenia nie jest satysfakcjonujące, a koszty są ogromne. Szczególnie kosztownym i czasochłonnym jest wytworzenie bazy danych wektorowych w standardzie TBD. Wynika to m.in. z bardzo rozbudowanej zawartości tej bazy. Tymczasem produkt o parametrach TBD jest pilnie potrzebny, dla wielu instytucjonalnych odbiorców produkt taki spełni oczekiwania tylko w przypadku, gdy pokryje cały kraj lub kluczowe jego obszary w krótkim czasie (rzędu 4 5 lat). Dla wielu odbiorców priorytet czasu jest ważniejszy od bogactwa szczegółów zawartych w bazie danych wektorowych. W związku z tym rozpatruje się możliwość tworzenia bazy o zubożonej zawartości treści. Należy podkreślić, że mowa jest o zubożonej treści, ale przy zachowaniu dokładności pozycyjnej. Taki produkt mógłby być wytworzony na obszarach słabiej zurbanizowanych, a w razie potrzeby mógłby być w przyszłości uzupełniany i aktualizowany. W międzyczasie powstały i weszły w fazę operacyjną systemy obrazowania satelitarnego o bardzo dużej rozdzielczości (VHRS - V ery High Resolution Satellites). Na tym tle zrodziło się naturalne pytanie o przydatność takich obrazów satelitarnych dla tworzenia komponentów bazy danych topograficznych TBD, a w tym szczególnie bazy danych wektorowych. Stanowi to tło powstania Projektu celowego 6 T C/6101 nt.: Opracowanie elementów wektorowych bazy danych topograficznych oraz metod i technologii dyskretnej wielospektralnej analizy zmian powierzchniowych w oparciu o wysokorozdzielcze obrazy satelitarne", zleconego przez GUGiK, współfinansowanego przez GUGiK i Komitet Badań Naukowych (KBN) oraz realizowanego przez Instytut Fotogrametrii i Kartografii Politechniki Warszawskiej. Przedstawiona powyżej problematyka jest jednym z dwóch kierunków badań podjętych w Projekcie. W zakresie zadania związanego z pozyskiwaniem danych wektorowych bazy danych topograficznych TBD celem Projektu jest odpowiedź na pytanie o zakres przydatności wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych dla zakładania i aktualizacji wektorowej bazy danych TBD w różnych uwarunkowaniach technicznych, organizacyjnych i ekonomicznych. Ta odpowiedź powinna mieć wiarygodność sprawdzoną w warunkach produkcyjnych. Zakłada się, że w wyniku Projektu zostaną również sformułowane rekomendacje dla GUGiK o kierunek modernizacji standardu TBD dla stworzenia opcji wykorzystania VHRS dla zakładania TBD. Wynikiem pośrednim będą rekomendacje w zakresie technologii ortorektyfikacji wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych i wyboru platformy narzędziowej dla tego zadania. Ważną częścią Projektu będzie wdrożenie. W celu uzyskania wyników o dużej wiarygodności etap eksperymentalnych opracowań elementów wektorowych TBD odbywa się w warunkach produkcyjnych w wybranym przedsiębiorstwie produkcyjnym. Pola testowe i obrazy satelitarne Ocenę możliwości tworzenia baz danych wektorowych TBD w oparciu o wysokorozdzielcze obrazy satelitarne prowadzi się poprzez wektoryzację ortofotomap wytworzonych z tych obrazów. Ortofotomapy takie muszą charakteryzować się: - wystarczającą dokładnością geometryczną, wystarczającym potencjałem interpretacyjnym, umożliwiającym rozpoznanie i pomiar obiektów stanowiących zawartość bazy danych. Te dwa wymagania wymuszają prowadzenie badań i prac eksperymentalnych w dwóch kierunkach: 1. Ocena możliwości ortorektyfikacji obrazów satelitarnych pod kątem dokładności generowania ortofotomap satelitarnych. 2. Ocena możliwości tworzenia bazy danych wektorowych TB D w oparciu o Ortofotomapy satelitarne. Powyższe dwa kierunki powinny być odniesione w fazie eksperymentalnej do obszarów reprezentatywnych dla Polski, a więc: - obszarów silnie zurbanizowanych, - obszarów rolniczych, - obszarów płaskich oraz obszarów o złożonej rzeźbie terenu i znacznych deniwelacjach. Dodatkowym kryterium wyboru pól testowych była przydatność obrazów satelitarnych dla drugiego zadania w Projekcie badawczym, związanego z rozpoznaniem zmian powierzchniowych i tworzeniem automatycznych mechanizmów kontrolnych (w kontekście kontroli upraw na potrzeby LPIS - IACS). Mając na uwadze powyższe cele, wytypowano trzy obiekty testowe: PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

3 1. Obiekt testowy Warszawa" - teren płaski, bardzo silnie zurbanizowany. 2. Obiekt testowy Nowy Targ" teren o bardzo dużych deniwelacjach (dochodzących do 600 m w obrębie pojedynczej sceny), bogatej rzeźbie, bogatej treści topograficznej. 3. Obiekt testowy Włocławek" - teren płaski, odkryty, o zdecydowanej przewadze użytkowania rolniczego. Tak wytypowane obiekty są reprezentatywne - pod względem pokrycia terenu i rzeźby - dla większości obszarów Polski. Na obszary obiektów testowych zakupiono obrazy satelitarne o bardzo dużej rozdzielczości z dostępnych systemów: - EROS A l (Image Sat Int.), - Ikonos - 2 (Space Imaging), - Quick Bird (Digital Globe). W przypadku systemu EROS są to obrazy panchromatyczne z pikselem terenowym 1,8 m. W przypadku systemu Ikonos są to obrazy panchromatyczne z pikselem terenowym l m oraz dla obiektu Włocławek" dodatkowo obraz wielospektralny z pikselem terenowym 4 m, pozyskany w zakresach: niebieskim, zielonym, czerwonym i podczerwonym. Dla systemu QuickBird są to obrazy panchromatyczne z pikselem terenowym 0,6 m, a dla obiektu Warszawa" dodatkowo obraz wielospektralny z pikselem terenowym 2,4 m. Obrazy były zamawiane w formacie i postaci najbardziej pierwotnej" (nieprzetworzonej), umożliwiającej ich dalsze opracowanie. Oznacza to dla systemu Ikonos typ produktu Geo Ortho Kit, a dla systemu QuickBird produkt Basic 1B. Te produkty zawierają elementy orientacji, zarejestrowane przez urządzenia pokładowe i jako takie są najbardziej przydatne dla dalszego opracowania pomiarowego, w tym do generowania ortofotomap. Ortorektyfikacja scen satelitarnych - dane początkowe Numeryczny Model Terenu Ścisła ortorektyfikacja obrazów satelitarnych wymaga informacji o ukształtowaniu powierzchni terenu danego w formie NMT. Od jakości (dokładności wysokościowej) NMT zależy dokładność generowania ortoobrazu. Wymagania względem NMT zależą od wymaganej dokładności ortorektyfikacji oraz od kąta wychylenia układu optycznego kamery od linii pionu - im większe wychylenie, tym większy wpływ błędów NMT na dokładność ortorektyfikacji, a tym samym większe wymagania względem dokładności NMT. Z tych powodów dla opracowań pomiarowych używa się obrazów pozyskanych przy wychyleniu układu optycznego od linii pionu do Analiza geometryczna wskazuje, że dla takich obrazów dla uzyskania dokładności ortorektyfikacji na poziomie 1,0-1,5 m wystarcza NMT o dokładności wysokościowej około 5 m. Do przebadania praktycznego wpływu jakości NMT na proces ortorektyfikacji zastosowano kilka NMT o różnym standardzie: 1. DTEDLevelO NMT o zasięgu globalnym, wyprodukowany i udostępniony bezpłatnie przez NIMA (National Imagery and Mapping Agency). Jest to NMT w strukturze GRID o oczku 30" x 30" (około 900 m x 900 m). 2. DTED Level I NMT o zasięgu globalnym, wykonany na podstawie interferometrii radarowej podczas misji promu kosmicznego SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Ma strukturę GRID o oczku 3" x 3" (około 90 m x 90 m) i l" x l" (około 30 m x 30 m). Do prac eksperymentalnych wykorzystano NMT o oczku 3" x 3". 3. DTED Level 2 NMT pokrywający cały obszar Polski. Utworzony na podstawie rysunku rzeźby z map topograficznych w skali 1: Ma strukturę GRID o oczku l" x l" (około 30 m x 30 m), dostępny również w metrycznej strukturze GRID o oczku 25 m x 25 m. 4. DTED Level 2 NMT utworzony na podstawie rysunku rzeźby z map topograficznych w skali 1: Ma strukturę GRID o oczku 10 m x 10 m. NMT użyte do prac eksperymentalnych poddano ocenie dokładności na obszarze obiektów testowych Warszawa" i Nowy Targ" w oparciu o fotopunkty pomierzone techniką GPS. Zbiorcze wyniki tej oceny ilustruje tabl. 1. Wizualną ocenę szczegółowości tych produktów daje rys. 1. Eksperymenty prowadzone z różnymi NMT wykazały, że nawet dla terenu silnie pofałdowanego (np. obiekt Nowy Targ") wystarczającą dokładność ortorektyfikacji zapewnia DTED Level 2. Fotopunkty Analiza oraz przeprowadzone eksperymenty wskazują, że pierwszorzędnymi czynnikami determinującymi dokładność ortorektyfikacji są liczba, rozmieszczenie i jakość fotopunktów użytych w procesie korekcji geometrycznej. Ocena procesu ortorektyfikacji nie powinna być jednak prowadzona na podstawie odchyłek szczątkowych na fotopunktach, tj. ocena ta nie powinna opierać się na wewnętrznych miernikach dokładności, uzyskanych w procesie wyrównawczym. Wynika to ze specyfiki i zachowania się wielomianowych metod aproksymacji. Wiarygodną ocenę dokładności procesu ortorektyfikacji przeprowadza się w oparciu o odchyłki na punktach kontrolnych, tj. punktach o znanym położeniu, które nie biorą udziału w procesie wyrównawczym (są traktowane jak punkty wyznaczane) i służą do oceny dokładności procesu ortorektyfikacji. W przeprowadzonych pracach eksperymentalnych na każdej scenie określono znaczną liczbę fotopunktów, znacznie przekraczającą potrzeby samej ortorektyfikacji (rzędu kilkadziesiąt na scenę). Są to fotopunkty naturalne (tj. szczegóły terenowe). W procesie wyrównawczym część z tych punktów traktowana była jak fotopunkty, a pozostałe jako niezależne punkty kontrolne. Kluczowym dla powodzenia był odpowiedni wybór punktów, ich pomiar terenowy i identyfikacja na obrazach. Tabl. 1. Parametry dokładościowe użytych NMT Standard NMT DTEDO DTED I DTED2 Wielkość oczka NMT 30" x 30' (około 900 m x 900 m) 3"x3 (około 90 m \ 90 m) l"xl" (około 30 m x 30 m) 10 mx 10 m Rys. l. Porównanie fragmentów NMT o standardzie: a - DTED Level O, b d - DTED Level 2 Warszawa obliczonych z NMT obliczonych z NMT fotopunktów fotopunktów i pomiarów GPS i pomiarów GPS średnia różnica wysokości punktów [m] 10, Nowy Targ średnia różnica wysokości punktów [m] 5,54 3, DTED Level I, c - DTED Level 2, c) d) PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

4 Projektując rozmieszczenie fotopunktów na obszarze sceny starano się zapewnić maksymalnie równomierny rozkład punktów na całym obrazie. Jest to jednym z warunków uzyskania możliwie równej dokładności wyników ortorektyfikacji dla całego zobrazowania. Lokalizacje znajdujące się na obrzeżu sceny zostały wybrane tak, aby maksymalnie ograniczyć obszary znajdujące się poza obszarem objętym punktami. Obszary takie są szczególnie niebezpieczne ze względu na występującą na nich ekstrapolację wyników z wyrównania osnowy i możliwość pojawienia się obszarów o znacznie gorszych wynikach. Podczas projektowania fotopunktów wybierano takie szczegóły terenowe, które pozwolą na identyfikację ich na obrazie z dokładnością subpikselową. Do pomiaru terenowego wybrano pomiar techniką GPS FastStatic. Metoda ta pozwoliła na pozyskanie współrzędnych wszystkich fotopunktów z jednakowo wysoką dokładnością w stosunkowo krótkim czasie. Dodatkowym atutem tej metody jest stosunkowo mała pracochłonność konieczna do uzyskania danych z wymaganą precyzją. Pomiary wykonano za pomocą dwóch odbiorników satelitarnych Trimble 4700 z antenami microcentered, na każdej z lokalizacji wybierano dwa spośród wcześniej zaprojektowanych punktów do pomiaru. Anteny były ustawiane na statywach nad fotopunktami. Proces ortorektyfikacji i analiza wyników Ortorektyfikacji poddano wszystkie 8 obrazów satelitarnych, pozyskanych z satelitarnych systemów i pokrywających trzy obiekty testowe: - obiekt testowy Warszawa" - obraz EROS, Ikonos i Quick- Bird, - obiekt testowy Nowy Targ" - obraz EROS, Ikonos i Quick- Bird, obiekt testowy Włocławek" - obraz EROS i Ikonos. Na każdym z obrazów pomierzono, w sposób opisany powyżej, po kilkadziesiąt fotopunktów. Korekcję geometryczną przeprowadzono z zastosowaniem dwóch podstawowych metod: - metody opartej na modelu parametrycznym (metoda ścisła), - metody opartej na ilorazowym modelu wielomianowym (RPC). W pracach eksperymentalnych wykorzystano dwa podstawowe w zakresie ortorektyfikacji obrazów satelitarnych pakiety oprogramowania: - PCI Geomatica 9.0, umożliwiający użycie obu metod korekcji, - Erdas Imaging 8.5, umożliwiający użycie metody wielomianowej (RPC). Zrealizowano wiele wariantów korekcji dla każdego obrazu z analizą otrzymanych wyników. Jakość korekcji oceniano na podstawie błędów szczątkowych, każdorazowo wyznaczanych na znacznej liczbie punktów kontrolnych, oraz poprzez analizę charakteru tych błędów w obrębie sceny (powierzchniowy rozkład szczątkowych wektorów zniekształceń). Prowadzone badania w zakresie ortorektyfikacji szły w następujących kierunkach: - oceny wpływu jakości NMT na wyniki korekcji geometrycznej, - oceny wpływu liczby i rozkładu użytych fotopunktów na wyniki korekcji geometrycznej, - oceny wpływu metody korekcji (metoda parametryczna i wielomianowa RPC, z użyciem parametrów modeli dostarczanych wraz z obrazem w formie metadanych lub bez takich danych), - oceny użyteczności oprogramowania. Poniżej prezentowane są tylko przykładowe wyniki. Tabele 2-5 oraz rysunki 2-5 przedstawiają wyniki korekcji obrazów Ikonos i QuickBird z pól testowych Warszawa" i Nowy Targ", uzyskane w środowisku PCI Geomatica. W tabelach prezentowane są błędy średnie i błędy maksymalne korekcji, oddzielnie dla każdej ze współrzędnych i, przy stosowaniu różnych NMT i metod korekcji. Błędy zostały oszacowane na punktach kontrolnych po korekcji z użyciem 9 fotopunktów. Dodatkowo wykresy ilustrują dokładność korekcji w formie średnich błędów położenia (tj. wypadkowej błędów i ) w funkcji liczby fotopunktów użytych do korekcji oraz stosowanego NMT. Analiza otrzymanych wyników pozwala sformułować szereg uogólniających wniosków: 1. Dla płaskiego terenu (obiekt testowy Warszawa") z użyciem numerycznego modelu terenu DTED Level I i 2 metoda RPC umożliwia korekcję obrazu Ikonos na poziomie dokładności 1,0-1,3 m prawie niezależnie od liczby fotopunktów (rys. 2). Dla DTED Level O wyniki są gorsze o 0,5-1,0 m. wymaga użycia minimum 8 fotopunktów dla osiągnięcia podobnej dokładności. 2. Dla tych samych warunków obraz CodckBird daje się skorygować z dokładnością około 2,0 m z wykorzystaniem 2 fotopunktów. Wykorzystanie 8 fotopunktów i metody parametrycznej pozwala uzyskać dokładność 1,3 m. Wpływ NMT jest podobny dla obu metod korekcji (rys. 3). 3. Dla obszaru podgórskiego (obiekt testowy Nowy Targ") metoda RPC pozwala skorygować obraz Ikonos z dokładnością około 1,5 m prawie niezależnie od użytego NMT i liczby Tabl. 2. Dokładność korekcji obrazu Ikonos przy 9 fotopunktach, obszar testowy Warszawa" (biedy średnie i maksymalne na punktach kontrolnych) dla metody parametrycznej i wielomianowej (RPC) oraz różnych NMT NMT DTED 0 DTED I błąd sr. mo (m) błąd maks [m] Metoda wielomianowa (RPC) błąd śr. m [m] błąd maks. [m[ Tabl. 3. Dokładność korekcji obrazu QuickBird przy 9 fotopunktach, obszar testowy Warszawa" (biedy średnie i maksymalne na punktach kontrolnych) dla metody parametrycznej i wielomianowej (RPC) oraz różnych NMT NMT DTEDO DTED I błąd śr n\ mj Mad maks. [m] Metoda wielomianowa (RPC) błąd śr m,, m] błąd maks [m] Tabl. 4. Dokładność korekcji obrazu Ikonos, obszar testowy Nowy Targ" (biedy średnie i maksymalne na punktach kontrolnych) dla metody parametrycznej (przy 13 fotopunktach) i wielomianowej - RPC (przy 9 fotopunktach) oraz różnych NMT NMT DTED I błąd śr m 0 [m] błąd maks. [m] Metoda wielomianowa (RPC) błąd śr. trio [m] Wad maks. [m] 2, Tabl. 5. Dokładność korekcji obrazu QuickBird przy 9 fotopunktach. obszar testowy Nowy Targ'' (błędy średnie i maksymalne na p-tach kontrolnych) dla metody parametrycznej i wielomianowej (RPC), oraz różnych NMT NMT DTED I DTED2 błąd śr m, m] Ul błąd maks fm] Metoda wielomianowa (RPC) błąd śr. m 0 fmj błąd maks. [m] PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

5 fotopunktów (rys. 4). Użycie metody parametrycznej i minimum 10 fotopunktów daje podobny rezultat. 4. Dla obrazu Quick- Bird i metody RPC otrzymuje się korekcje z błędem nieco powyżej 3,0 m już z użyciem 2 fotopunktów. przy 9 fotopunktach pozwala uzyskać dwukrotnie mniejsze błędy korekcji obrazu QuickBird (rys. 5). 5. Numeryczny Model Terenu DTED Level I, pochodzący z SRTM, jest wystarczający dla ortorektyfikacji wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych. 6. Nawet dla obszarów silnie pofałdowanych Numeryczne Modele Terenu DTED Level 2 i DTED Level I (SRTM) dają podobne rezultaty dla obu obrazów i obu metod korekcji. Inny przykład korekcji ilustruje rys. 6. Jest to wynik korekcji obrazu Ikonos z obszaru testowego Warszawa", realizowany z użyciem NMT DTED Level 2 i obu metod korekcji, realizowanych w środowisku PCI Geomatica i Erdas Imaging. Stosowano różne warianty korekcji. W środowisku PCI Geomatica wykorzystano: - metodę parametryczną - PCI l, - metodę wielomianową (RPC) ze współczynnikami dostarczonymi przez dystrybutora - PCI 2, - metodę wielomianową (RPC) ze współczynnikami wyliczanymi (4 współczynniki) - PCI 3, W środowisku Erdas Imaging wykorzystano: - metodę wielomianową (RPC) z wielomianem 0-go stopnia - ERDAS O, - metodę wielomianową (RPC) z wielomianem l-go stopnia - ERDAS l, a) b) Rys. 2. Dokładność korekcji obrazu Ikonos, obszar testowy Warszawa": a metoda parametryczna, b metoda wielomianowa (RPC) 3 - DTEDO»DTED1 «DTED2 O a) b) Rys. 3. Dokładność korekcji obrazu QuickBird, obszar testowy Warszawa": a - metoda parametryczna, b - metoda wielomianowa (RPC) a) JE, 4,00 O l 3.00 >DTED1 «DTED2 "DTED2 O b) Rys. 4. Dokładność korekcji obrazu Ikonos, obszar testowy Nowy Targ": a - metoda parametryczna, b - metoda wielomianowa (RPC) "E E J 000 UlbU1 «i^ DTED2 assbabssffi DTED2 35***^^ *% imi^mi l %umimm, uymm^^ggg O a) O Rys. 5. Dokładność korekcji obrazu QuickBird, obszar testowy,,nowy Targ": a metoda parametryczna, b metoda wielomianowa (RPC) metodę wielomianową (RPC) z wielomianem 2-go stopnia powyżej pojedynczego piksela obrazu, już przy użyciu 8-9 foto- - ERDAS 2. punktów. Przebieg wykresów wartości błędów szczątkowych po korekcji Przykładowe wyniki korekcji obrazu EROS ilustruje rys. 7 (media różnych metod i różnej liczby fotopunktów potwierdza moż- toda parametryczna, oprogramowanie PCI Geomatica, obszar liwość korekcji obrazów Ikonos na poziomie 1,0-1,2 m, tj. nieco testowy Nowy Targ"). b) PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

6 PCM PCI 2 PCI 3 ERDAS O ERDAS 1 - ERDAS Rys. 6. Porównania wyników korekcji obrazu Ikonos - obiekt Warszawa". Program PCI Geomatica - metoda parametryczna - PCI l, wielomianowa ze współczynnikami od dystrybutora - PCI 2, wielomianowa ze współczynnikami wyliczanymi (4 wsp.) - PCI 3, Program Erdas Imaging - metoda wielomianowa z korekcją współczynników wielomianem: zerowego stopnia - ERDAS O, pierwszego stopnia - ERDAS l, drugiego stopnia - ERDAS 2 Stosując metodę parametryczną do korekcji obrazu typu EROS dla trudnego obszaru (duże deniwelacje), uzyskano średni błąd położenia w granicach jednego piksela (około 2,0 m) już przy 10 fotopunktach GCP. Wygenerowanie cyfrowych ortofotomap Wszystkie badane obrazy skorygowano geometrycznie, a następnie wygenerowano z nich ortofotomapy cyfrowe z pikselem terenowym. Odpowiednio dla: - obrazu źródłowego EROS - ortofotomapa z pikselem terenowym 1,8 m, - obrazu źródłowego Ikonos - ortofotomapa z pikselem terenowym 1,0 m, - obrazu źródłowego QuickBird - ortofotomapa z pikselem terenowym 0,6 m. W procesie ortorektyfikacji do wytworzenia ortofotomapy użyto bilinearnej metody przepróbkowania. Wynikowe ortofotomapy zapisano w formacie GeoTIFF. Obrazy z systemu Ikonos dla obiektów testowych Warszawa" i Włocławek" były dostępne w postaci produktów zawierających 4,00 T I 3-50 o = 3,00 - l 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Rys. 7. Dokładność korekcji obrazu EROS, obszar testowy,,nowy Targ" (błąd średni położenia w funkcji liczby fotopunktów) - metoda parametryczna zarówno obrazy panchromatyczne (czarno-białe), jak i wielospektralne. Z obrazów wielospektralnych można wytworzyć barwne kompozycje w barwach rzeczywistych (poprzez złożenie wyciągów niebieskiego, zielonego i czerwonego) lub w barwach fałszywych (poprzez złożenie wyciągów zielonego, czerwonego podczerwonego). W ramach prac eksperymentalnych wytworzono dodatkowo barwną kompozycję wyostrzoną (pan-sharpened). Polega to na fuzji (złożeniu) wysokorozdzielczego obrazu panchromatycznego (z pikselem terenowym l m) z obrazem wielospektralnym (z pikselem 4 m). W wyniku specjalnego przetwarzania otrzymuje się kompozycję barwną (w barwach rzeczywistych lub fałszywych), z pikselem l m. Do wytworzenia takiego produktu zastosowano następujący ciąg przekształceń: - ortorektyfikacja obrazu panchromatycznego w oparciu o fotopunkty, - wytworzenie cyfrowej ortofotomapy czarno-białej, - ortorektyfikacja obrazu wielospektralnego względem wytworzonej cyfrowej ortofotomapy czarno-białej w trybie obraz do obrazu" (image to image), zespolenie cyfrowej ortofotomapy czarno-białej i barwnej i wytworzenie barwnej ortofotomapy z pikselem l m (ortofotomapa wyostrzona"). Zespolenie wykonano w oprogramowaniu Erdas Imaging przy użyciu metody głównych składowych (Principal Component), a do przepróbkowania obrazu wielospektralnego użyto metody bilinearnej. Ocena możliwości tworzenia danych wektorowych bazy danych topograficznych (TBD) w oparciu o obrazy satelitarne o bardzo dużej rozdzielczości (VHRS) Ocena potencjału kartograficznego obrazów satelitarnych powinna uwzględniać dwa aspekty: - aspekt geometryczny, tj. odpowiedź na pytanie czy produkt wytworzony na podstawie obrazów satelitarnych spełnia wymagania dokładności pozycyjnej, - aspekt interpretacyjny, tj. odpowiedź na pytanie o zakres możliwej ekstrakcji obiektów terenowych i ich atrybutów w porównaniu z zakresem treści tworzonej mapy numerycznej, np. w standardzie TBD. Obrazy satelitarne Ikonos pozwalają na generowanie ortofotomap z pikselem l m, a QuickBird z pikselem 0,7 m. Ortofotomapy takie charakteryzują się dokładnością sytuacyjną na poziomie l,0-1,5 m. Aczkolwiek takie ortofotomapy można drukować nawet w skali 1:5000, to nie spełniają one wymogów ortofotomapy w standardzie TBD, który zakłada piksel 0,5 m. Ortofotomapy wytworzone na podstawie obrazów satelitarnych mogą natomiast spełnić wymagania dokładności sytuacyjnej. Odpowiedź na pytanie dotyczące zasobu treści obrazów satelitarnych jest znacznie trudniejsza i niejednoznaczna. Porównanie wymaganej rozdzielczości obrazów cyfrowych dla tworzenia bazy danych wektorowych i ortofotomapy potwierdza znany fakt, że dla wytworzenia cyfrowej ortofotomapy wystarczają obrazy o niższej zdolności rozdzielczej niż dla wytworzenia danych wektorowych w tej samej skali (przykład: zdjęcia 1:26000 PHARE pozwalają wytworzyć ortofotomapę odpowiadającą skali 1:5000, ale mapę wektorową tylko w skali 1:10000). Porównując oba kryteria określające potencjał kartograficzny obrazów, tj. dokładność geometryczną opracowania i możliwości interpretacyjne, łatwo zauważyć, że dostępne obrazy satelitarne łatwiej spełniają wymagania dokładności geometrycznej niż wymagania zasobu treści. Krytycznym czynnikiem limitującym potencjał kartograficzny dostępnych obrazów satelitarnych jest ich ograniczony zasób treści, a dopiero w drugiej kolejności - ich dokładność geometryczna. PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

7 W literaturze można spotkać się z różnymi opiniami na temat zakresu przydatności obrazów VHRS [2, 9]. Niejednoznaczne są opinie o potencjale kartograficznym tych obrazów. Powodów tych rozbieżności może być kilka: 1. Brak dostatecznych wyników eksperymentalnych potwierdzających praktyczny zakres użyteczności obrazów, szczególnie w kontekście prac kartograficznych prowadzonych na szerszą skalę. Brak jest doniesień o wykorzystywaniu na szerszą skalę obrazów VHRS dla rutynowych" prac kartograficznych prowadzonych przez rządowe instytucje kartograficzne - odpowiedniki GUGiK. Doniesień takich praktycznie nie ma, co można tłumaczyć tym, że jesteśmy dopiero w fazie tworzenia się rynku wysokorozdzielczych obrazów, a ich wykorzystanie jest w fazie eksperymentów i wdrożeń. 2. Wypowiadając się o potencjale kartograficznym obrazów, autorzy nie zawsze rozróżniają potencjał pomiarowy od potencjału interpretacyjnego. Często za kryterium użyteczności przyjmuje się tylko dokładność pomiarową, tymczasem czynnikiem limitującym przydatność obrazów satelitarnych nie są ich wysokie możliwości pomiarowe, ale ograniczone możliwości interpretacyjne. 3. Powodem nieporozumienia może być niejednoznaczne rozumienie zdolności rozdzielczej obrazów cyfrowych. Często terenowy wymiar piksela mylnie utożsamia się ze zdolnością rozdzielczą obrazu. 4. Środowisko jest zalewane" informacją typu reklamowego. Z powodów oczywistych w takich informacjach wyolbrzymia się zalety obrazów satelitarnych lub przedstawia problem jednostronnie. 5. Opinie o potencjale obrazów satelitarnych formułowane są w oparciu o dostarczone przez dystrybutorów wybrane próbki tych obrazów o wysokiej jakości, pozyskane w dobrych warunkach atmosferycznych. Tymczasem realna jakość tych obrazów może być zróżnicowana - głównie z powodu wpływu atmosfery. Należy mieć na uwadze, że atmosfera wpływa degradujące na jakość, szczególnie w takich obszarach jak Europa. 6. Autorzy wypowiadają się o przydatności obrazów satelitarnych do tworzenia produktów kartograficznych w określonej skali. Mają na uwadze tworzenie ortofotomap, tymczasem należy rozróżniać wymagania w odniesieniu do tworzenia ortofotomap i bazy danych wektorowych. Ocena zasobu treści obrazu w kontekście tworzenia czy aktualizacji map w konkretnej skali, o zdefiniowanym zakresie treści, może zależeć od: - jakości obrazu, obarczonego szczególnie wpływem atmosfery, - pory dnia i roku obrazowania (wpływ wysokości słońca i stanu upraw, maskujących szczegóły terenowe), - charakteru terenu (zurbanizowany, rolniczy), - różnego zakresu treści obligatoryjnie występującej na mapach topograficznych w różnych krajach, - technologii opracowania (stereodigitalizacja czy monoploting), - postawionego zadania - tworzenie nowej mapy, czy aktualizacja istniejącej, - innych uwarunkowań. Potencjał kartograficzny obrazów satelitarnych można wyrazić poprzez odniesienie do zdjęć lotniczych o podobnym potencjale. W zakresie zdjęć lotniczych lata praktyki ustaliły technologiczne relacje między skalą mapy a skalą zdjęć lotniczych, z których ta mapa może być tworzona. Przy ocenie zasobu obrazów satelitarnych też próbuje się ocenić ich zasób poprzez podanie odpowiednika skali zdjęć lotniczych o porównywalnym zasobie treści. Nie jest to łatwe i w środowisku fotogrametrycznym panują dość rozbieżne poglądy na ten temat. Dotychczasowe doświadczenie autorów skłania do opinii, że: potencjał kartograficzny (pomiarowy i interpretacyjny) obrazów satelitarnych o bardzo dużej rozdzielczości typu Ikonos czy QuickBird z pikselem zbliżonym do l m odpowiada potencjałowi zdjęć lotniczych w skali 1: : Powyższe stwierdzenie jest bardzo ważne z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia. Wskazuje jakie zdjęcia lotnicze mogą być zastąpione przez wysokorozdzielcze obrazy satelitarne. Należy zauważyć, że w literaturze można spotkać bardziej optymistyczne" oceny potencjału obrazów satelitarnych o bardzo dużej rozdzielczości. Przy ocenie możliwości tworzenia i aktualizacji TBD w oparciu 0 wysokorozdzielcze obrazy satelitarne należy brać pod uwagę, oprócz kryteriów technicznych, również kryteria ekonomiczne. Według aktualnego stanu, ceny obrazów satelitarnych w przeliczeniu na jednostkę powierzchni są 1,5-2,0 razy wyższe od zdjęć lotniczych o porównywalnym potencjale. Droższe również jest obecnie wytworzenie ortofotomapy. Należy jednak dodać, że rynek obrazów VHRS dopiero się rozwija. Planowane są następne systemy, w przyszłości można się spodziewać dalszego obniżenia ich cen. Wytworzenie ortofotomapy z obrazów satelitarnych jest procesem stosunkowo prostym, szybkim i tanim (nie licząc kosztów samych obrazów). Jest to proces prostszy od opracowania w oparciu o zdjęcia lotnicze. Można się więc spodziewać rozwoju krajowego wykonawstwa w tym zakresie. Ważną okolicznością jest uruchomienie w Polsce (jesienią) 2004 r. Satelitarnego Centrum Operacji Regionalnych (SCOR), zajmującego się odbiorem 1 przetwarzaniem obrazów Ikonos. Jest to trzecie takie centrum w Europie. Prowadzone badania mają wykazać stopień przydatności obrazów VHRS do wytworzenia bazy danych wektorowych w standardzie TBD, tj. bazy danych wektorowych o dokładności pozycyjnej i szczegółowości odpowiadającej w przybliżeniu tradycyjnej mapie topograficznej w skali l: Zgodnie z obowiązującym standardem zdefiniowanym w Warunkach Technicznych, głównym źródłem danych dla bazy danych wektorowych jest ortofotomapa z pikselem 0,5 m, wytworzona ze zdjęć lotniczych w skali l : Sama baza danych wektorowych powstaje poprzez digitalizację ekranową tej ortofotomapy i zorganizowanie danych w odpowiednie struktury, zgodnie ze standardem TBD, obejmujące około 160 klas obiektów. Ocena przydatności obrazów satelitarnych dla tego zadania jest prowadzona poprzez próby niezależnego opracowania na podstawie cyfrowych ortofotomap z różnych systemów dla poszczególnych obiektów testowych. Opracowania te polegają na zebraniu i zorganizowaniu w odpowiednie struktury bazy danych wektorowych, prowadzone zgodnie z wytycznymi, na podstawie wytworzonych wcześniej cyfrowych ortofotomap sate -litarnych. Oznac;:a to, że proces technologiczny wytworzenia poszczególnych opracowań jest maksymalnie zbliżony do obecnego procesu produkcji TBD, z tą różnicą, że materiałem źródłowym pozyskiwania danych są tylko cyfrowe ortofotomapy satelitarne. Dla uzyskania wiarygodnych wyników, mających wymiar i znaczenie produkcyjne, pożądane jest prowadzenie samego procesu wektoryzacji i pozyskiwania atrybutów obiektów w warunkach maksymalnie zbliżonych do warunków realnej produkcji, z udziałem doświadczonych operatorów stacji kartograficznych, wcześniej rutynowo realizujących opracowania TBD ze zdjęć lotniczych. Tak uzyskane opracowania, pozyskane w środowisku ARC/Info, zostają poddane ilościowej i jakościowej analizie statystycznej, obejmującej poszczególne opracowania dla poszczególnych obszarów testowych. Analiza ta ma ocenić stopień możliwej ekstrak- PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5

8 cji obiektów i ich atrybutów dla poszczególnych opracowań (różnych ortofotomap i różnych obszarów) w rozbiciu na poszczególne klasy obiektów, zgodne z systematyką przyjętą w Warunkach Technicznych TBD. Opracowania są porównywane między sobą oraz z opracowaniami referencyjnymi, tj. z: - istniejącymi opracowaniami bazy danych w standardzie TBD, - uzyskanymi w oparciu o ortofotomapy ze zdjęć lotniczych, - istniejącymi mapami topograficznymi 1:10000, - wywiadem terenowym (na ograniczonym obszarze). W ramach poszczególnych obiektów testowych opracowaniu podlega ten sam obszar terenu, ale na podstawie różnych materiałów źródłowych. Dotychczas zostały wykonane próby wektoryzacji wytworzonych ortofotomap i opracowania bazy danych wektorowych. Zostały one jednak wykonane w warunkach laboratoryjnych w ramach projektów dyplomowych. Nie stwarza to warunków dla uzyskania wiarygodnej oceny faktycznej przydatności obrazów VHRS dla postawionego zadania o wiarygodności, która umożliwiałaby sformułowanie wniosków przydatnych dla praktyki produkcyjnej. Z tych powodów wektoryzacja wytworzonych ortofotomap prowadzona jest równolegle w warunkach produkcyjnych w jednej z firm zajmujących się produkcją TBD. Wyniki dotychczasowe pozwalają stwierdzić, że zasób treści ortofotomap wygenerowanych z obrazów typu Ikonos czy Quick- Bird jest mniejszy niż ortofotomap z pikselem 0,5 m, wygenerowanych ze zdjęć lotniczych w skali 1: Oznacza to, że baza danych wektorowych nie będzie mogła być pozyskana w pełnym zakresie treści, zgodnym z TBD. Tego należało się spodziewać. Taki wynik będzie miał jednak praktyczne znaczenie, pozwoli bowiem zdefiniować nowy standard bazy danych wektorowych, o ograniczonym zakresie treści, ale z zachowaniem dokładności pozycyjnej wymaganej obecnie przez TBD. Pozwoli to na przyśpieszenie procesu pokrycia Polski takim produktem. Podsumowanie 1. Analizy i wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że pierwszorzędnymi czynnikami procesu korekcji geometrycznej obrazów VHRS są liczba, rozmieszczenie i jakość fotopunktów użytych w procesie korekcji. 2. NMT pochodzący z radarowej misji promu kosmicznego SRTM jest wystarczająco dokładny dla ortorektyfikacji obrazów VHRS. 3. Obrazy VHRS z systemów Ikonos czy QuickBird mogą być skorygowane z dokładnością 1,0-1,5 m przy użyciu metod parametrycznych i 8-10 fotopunktów. Metoda wielomianowa wymaga do tego celu tylko 2 fotopunktów. 4. Ocena potencjału kartograficznego obrazów VHRS powinna uwzględniać zarówno aspekt geometryczny, jak i interpretacyjny. Krytycznym czynnikiem limitującym potencjał dostępnych obrazów satelitarnych jest ich ograniczona zawartość treści, a dopiero w drugiej kolejności ich dokładność geometryczna. 5. Potencjał kartograficzny (geometryczny i interpretacyjny) obrazów VHRS z systemów Ikonos czy QuickBird z pikselem zbliżonym do l m odpowiada potencjałowi tradycyjnych zdjęć lotniczych w skali 1: : Przy ocenie możliwości tworzenia i aktualizacji TBD w oparciu o obrazy satelitarne o bardzo dużej rozdzielczości należy brać pod uwagę, oprócz kryteriów technicznych, również kryteria ekonomiczne. Według aktualnego stanu, ceny obrazów satelitarnych w przeliczeniu na jednostkę powierzchni są 1,5-2,0 razy wyższe od cen zdjęć lotniczych o porównywalnym potencjale. Jednak sam proces wytworzenia ortofotomapy z obrazów satelitarnych jest prostszy i tańszy. Dysproporcja cen ortofotomap wytworzonych z obu źródeł nie jest więc już tak znaczna. Należy dodatkowo mieć na uwadze, że rynek takich obrazów dopiero się rozwija. Planowane są następne systemy. Można się spodziewać dalszego obniżenia ich cen w przyszłości. Nie bez znaczenia dla tego trendu będzie pozostawał fakt uruchomienia w Polsce stacji SCOR. LITERATURA [1] Follehr S.: Ocena przydatności obrazów satelitarnych QuickBird na potrzeby tworzenia i aktualizacji Bazy Danych Topograficznych. Praca dyplomowa, Zakład Fotogrametrii PW, 2004 [2] Jacobsen K., Passini R.: Accuracy Of Digital Orthophotos From High Resolution Space Imagery, Proceedings of the Workshop High Resolution Mapping from Space 2003, Hannover, 2003 [3] Jacobsen K.: Generation Of Orthophotos With Carterra GEO Images Without Orientation Information [4] Jaszczak P.: Ocena możliwości korekcji geometrycznej i zasobu treści zobrazowań satelitarnych IKONOS, Praca dyplomowa, Zakład Fotogrametrii PW, 2004 [5] Kurczyński Z., Wolniewicz W.: Wysokorozdzielcze systemy obrazowania satelitarnego, część 1: GEODETA nr 7 (86), lipiec 2002, s , część 2: GEODETA nr 8 (87), sierpień 2002, s [6] Kurczyński Z., Wolniewicz W.: Korekcja geometryczna wysokorozdzielczych obrazów satelitarnych, GEODETA nr 10 (90), listopad 2002, s [7] Kurczyński Z., Wojtynek R., Wolniewicz W.: Assessment of VHR Images Utilization for the Needs of the Polish National Geodesy Authorities, Geographical Information Systems in Research & Practice, Zagreb, Croatia, pp [8] Kurczyński Z., Wolniewicz W.: Assessment ofery High Resolution Satellite Images (VHR) For The Development Of Topographic Database. 6" 1 Geomatic Week, 8 lh -12 th February 2005, Barcelona [9] Nale D. K.: QuickBird - Aerial Product Comparison Report (prepared by EMAP International for DigitalGlobe). Iobe.com [10] Wolniewicz W.: Assessment of VHR Satellite Data - IKONOS, QuickBird, EROS, SPOT 5, ISPRS Workshop, High Resolution mapping from Space, University of Hanover, 2003 [11] Wolniewicz W.: Assessment of VHRS images - mvited paper, Eurimage Meeting, Rome, 2004 [12] Wolniewicz W.: Assessment of Geometrie Accuracy of VHR Satellite Images, Congress ISPRS, Istanbul, 2004 [13] Wolniewicz W.: Najbliższe perspektywy rozwoju systemów satelitarnych VHR, IV Konferencja PTIP, 2004 [14] Wolniewicz W.: Porównanie wyników ortorektyfikacji obrazów satelitarnych o bardzo dużej rozdzielczości, Ogólnopolskie Sympozjum Naukowe, PTFiT, 2004 [15] Wolniewicz W., laszczak P.: Orthorectification of Very High Resolution Satellite Images, V ACRS, Thailand, 2004 Artykuł recenzowany. PG można zaprenumerować w dowolnym terminie 10 PRZEGLĄD GEODEZJN ROK LVII 2005 NR 5