Geum.ru
   Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 456 МЕТОД ТОЧНОЙ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ПРИВЯЗКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ AVHRR NOAA Эпштейн Ю.С., Гербек Э.Э. (herbeck@satellite.dvo.ru) Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Введение.

Построение картографических проекций по спутниковым изображениям является необходимым этапом многих видов тематической обработки спутниковой информации. При этом возникает необходимость решать обратную задачу географической привязки (ОЗГП), заключающуюся в установлении зависимости между географическими координатами любой точки поверхности Земли и координатами соответствующего ей пиксела на исходном изображении. От точности решения ОЗГП зависит качество выходных продуктов, получаемых из картографических проекций. Особенно остро проблема точного построения картографических проекций по спутниковым данным встаёт при совместной обработке их последовательностей - например, когда производится расчёт композиционных полей и карт геофизических параметров. Возникающие здесь погрешности приводят к искажению реальных природных объектов и появлению артефактов.

ОЗГП и комплиментарная ей прямая задача географической привязки (ПЗГП) изображений AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) ИСЗ NOAA (National Ocean and Atmosphere Administration) стали актуальны с момента запуска первого спутника этой серии, и с тех пор было предложено немало методов их решения. Накопленный опыт показал, что добиться точности решения задач привязки порядка размера пиксела исходного изображения в надире (1.1 км) и лучше можно только путём задания опорных точек (GCP).

Все использующиеся сейчас методы географической привязки изображений AVHRR NOAA моделируют движение ИСЗ и геометрические аспекты работы сканера. Большинство из них пользуются достаточно простыми орбитальными моделями в сочетании прогнозной телеграммой TBUS. Астрономическое время начала сеанса определяется по бортовым часам спутника. Такой подход без примения процедуры коррекции географической привязки даёт величину погрешностей порядка 15-20 пикселов исходного изображения [1] - главным образом, за счет ошибки позиционирования спутника на орбите (вследствие как неадекватности модели, так и погрешности хода бортовых часов ИСЗ). Для повышения точности используется информация об опорных точках изображения, по которой вычисляется некоторый набор корректирующих коэффициентов. Как правило, это поправки к значениям параметров движения ИСЗ или углы ориентации платформы ИСЗ. Задание опорных точек может производиться вручную [3] или автоматически [1,2].

Основной целью предпринятой нами работы являлась разработка метода, гарантированно дающего подпиксельную точность географической привязки изображений AVHRR NOAA. Для решения ПЗГП был выбран стандартный алгоритм [5]. Он достаточно точно воспроизводит геометрию процесса формирования изображения, т.е. собственная погрешность алгоритма невелика. Кроме того, для прогнозирования движения ИСЗ он позволяет использовать любую орбитальную модель. Прогнозирование движения ИСЗ нами осуществляется при помощи орбитальной модели SGP4 [4], используемой в совокупности с набором орбитальных элементов TLE. Использование этой модели и определение UTC-времени начала сканирования по данным спутниковой системы GPS позволило свести ошибку позиционирования ИСЗ к минимуму. Тем не менее, ошибка привязки, хотя и сократилась до 3Е5 пикселов, осталась слишком велика для наших целей. В дальнейшей работе мы исходили из предположения, что эта остаточная Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 457 погрешность создается отклонениями платформы ИСЗ от горизонтального положения; в пользу этого предположения говорили как величина допускаемого NASA отклонения платформы (0.градуса), так и случайный характер величины погрешности привязки.

При разработке метода коррекции географической привязки, в силу сложных климатических условий нашего региона, затрудняющих применение автоматических процедур задания GCP, и необходимости обработки данных ночных сеансов приёма, был сделан выбор в пользу интерактивного задания GCP. По информации о GCP вычисляются эффективные значения углов крена, тангажа и рысканья платформы ИСЗ, которые считаются постоянными на протяжении всего сеанса приёма изображения. Проведённые эксперименты и опыт применения метода показали, что несмотря на то, что коррекция осуществляется всего тремя параметрами, достигается подпиксельная точность географической привязки любого изображения спутников NOAA-12,14,15, для чего требуется задать не более 12 GCP. В подавляющем большинтсве случаев достаточно 6-8 GCP.

1. Постановка задач географической привязки.

Решение ОЗГП заключается в построении функции:

(u,v) = F (w,k)(1) Здесь u и v обозначают номер строки и столбца пиксела спутникового изображения, w и k - географические широту и долготу точки поверхности Земли. Применительно к изображениям AVHRR NOAA v может принимать значения от 0 до 2047, диапазон возможных значений u определяется длительностью сеанса приёма.

Комплиментарной к ОЗГП является прямая задача географической привязки (ПЗГП), решение которой заключается в построении функции:

(w,k) = f (u,v) Построение картографической проекции, пространственное разрешение которой сравнимо с максимальным разрешением сканера ИСЗ, требует решения именно ОЗГП, так как процесс построения при этом заключается в присвоении каждому пикселу проекции, географические координаты которого известны, значения пиксела исходного изображения, координаты которого вычисляются при помощи функции (1).

2. Алгоритм решения обратной задачи географической привязки.

Для описания алгоритма необходимо ввести следующие системы координат:

1. Система координат, связанная с ИСЗ как с материальной точкой.

PQS-системы) совпадает с текущим положением ИСЗ M.

Начало этой системы координат ( Орт P направлен к центру Земли, ортQ перпендикулярен плоскости орта P и вектора скорости ИСЗV, образуя с ними левую тройку, орт S их дополняет:

M V P, Q =, S = P Q.

P = - M V P 2. Система координат, связанная с платформой ИСЗ.

Эта система координат (P'Q'S'-система) жёстко связана с платформой ИСЗ и получается из PQS-системы последовательными поворотами вокруг векторов V,Q, P на углы ar, ap, ay (2) Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 458 (углы крена, тангажа и рысканья) соответственно. Преобразование координат некоторого вектора R из P'Q'S' в PQS-систему задаётся формулой:

T T T RPQS = AT AT Avs Ar Avs RP'Q'S = AP'Q'S ' RP'Q'S ', y p где 0 cosa 0 sin a 1 p p Ay = 0 cos ay sin ay, Ap = 0 1 0, 0 - sin ay cos ay - sin a p 0 cosa p cosar sin ar 0 cosavs 0 sin avs Ar = sin ar cos ar 0, Avs = 0 1 0.

- 0 0 - sin avs 0 cos avs Здесь avs - угол от вектора V к вектору S.

Как было сказано ранее, для решения ПЗГП нами используется стандартный алгоритм [5], в который были внесены дополнения, учитывающие углы (2). Он опирается на следующие допущения:

1) форма поверхности Земли является эллипсоидом вращения;

2) сенсор сканера находится в точке M и вращается вокруг оси, направление которой совпадает с ортом S' системы координат P'Q'S';

3) все пикселы строки изображения с номером u соответствуют одному и тому же моменту времени tu.

Эти же допущения используются и предлагаемым алгоритмом решения ОЗГП.

Допущение 3 позволяет ввести понятие плоскостей сканирования, соответствующих строкам изображения. Тогда можно считать, что пикселы строки сформированы в результате пересечения её плоскости сканирования с поверхностью Земли.

Работа алгоритма решения ОЗГП разбита на два этапа. Сначала для заданной точки земной поверхности L определяется номер строки изображения u. Номер пиксела строки v вычисляется на втором этапе.

Схема вычисления u выглядит следующим образом. Из-за вращения Земли положение точки L в инерциальной геоцентрической системе координат непрерывно меняется;

одновременно происходит движение спутника по орбите. Если в один из моментов времени ti точка L окажется между плоскостями сканирования с номерами i и i+1, будем считать, что она попадает на геометрически ближайшую к ней, и тем самым u получает ее номер. Алгоритм находит такую пару плоскостей, или убеждается, что для данной точки земной поверхности её нет.

Уравнение i-й плоскости сканирования можно записать в виде (Рисунок 1):

S' (x - Mi)= 0.

i Нужно найти пару плоскостей сканирования с номерами i и i+1, для которой выполняется условия:

Si (Li - M i ) (3) (Li - M ) Si+1 i+Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 459 После этого выбирается номер той плоскости пары, расстояние Li от которой до точки меньше:

u = arg mink S'k (Li - M ), k {i,i +1} (4) k Для того, чтобы избежать потери тех точек поверхности Земли, для которых условия (3) не выполняется, но которые при формировании изображения находились настолько близко от первой или последней плоскостей сканирования, что на самом деле попали в его первую или последнюю строки, введём две фиктивные плоскости сканирования с номерами -1 и N. Если по правилу (4) u примет одно из этих значений, точка L будет считаться не принадлежащей изображению.

Если i удовлетворяет условиям (3), то для него также верны соотношения:

S (Lk - M k 'k ) 0, k i (Lk - M ) 0, k > i S'k k Это позволяет осуществлять поиск требуемой пары плоскостей методом бисекции. Была построена оценка границ интервала поиска [i1,i2]:

S'-1 - M -(L-1 ), i2 = N - S'N (LN - M ), N i1 = (5) ts W ts W где W = wE R cos + C, (6) wE - угловая скорость вращения Земли, = arctan([1- e2] tan)- геодезическая широта точки L, R = AE 1- e2 sin2, AE и e - большая полуось и эксцентриситет земного эллипсоида.

Величина константы C, входящей в (6), была выбрана таким образом, чтобы получаемая при помощи (5) оценка гарантированно содержала искомую пару плоскостей сканирования.

Выполнение условий:

S-1 (L-1 - M -1 ) (7) (LN - M ) SN N является необходимым и достаточным для существования i, удовлетворяющего условиям (3). Поэтому, если для заданной точки L условия (7) не выполняются, она заведомо не попала в изображение.

В целом алгоритм определения номера строки изображения u выглядит так:

1. проверка выполнения для точки L условий (7). Если они не удовлетворяются, точка L заведомо не попала в изображение;

2. построение при помощи формул (5) оценки границ интервала[i1,i2], включающего i;

3. поиск на интервале [i1,i2] методом бисекции индекса i, удовлетворяющего условиям (3);

4. применение правила (4) для определения u.

Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 460 После нахождения u строится проекция L' точки L на соответствующую плоскость сканирования, и если она попадает внутрь сектора обзора сканера[- amax,amax ], по углу направления сканирующего луча вычисляется номер пиксела в строке v (Рисунок 1).

Поиск пары плоскостей сканирования (шаг 3) осуществляется за 8-9 итераций.

Большинство требуемых для него вычислений проводится предварительно, что обеспечивает требуемую эффективность алгоритма.

3. Метод коррекции географической привязки.

Ось вращения сенсора сканера направлена вдоль орта S' системы координат P'Q'S'. При равенстве углов (2) нулю она совпадает с системой координат PQS, что соответсвует номинальной ориентации платформы ИСЗ. У ИСЗ NOAA величины этих углов имеют порядок 10-3 рад, поэтому для достижения подпиксельной точности географической привязки изображений AVHRR NOAA их наличие необходимо учитывать. Если этого не делать, величина погрешности может достигать 8 пикселов изображения. В этой работе предлагается вычислять эффективные значения углов (2), одинаковые для всего изображения:

~ ~ ~ ar,a,ay (8) p Для этого применяется разновидность метода опорных точек изображения (GCP). Сначала пользователь задаёт величины расхождений между эталонным и видимым береговым контуром в нескольких точках изображения, затем минимизацией величины суммы квадратов соответствующих расхождений на земной поверхности вычисляются значения углов (8). Как правило, для получения подпиксельной точности привязки изображения достаточно 6-8 GCP.

Используемый процедурой задания GCP эталонный береговой контур был получен в результате векторизации топографической базы GTOPO30 [6].

Коррекция географической привязки спутникового изображения применяется к нему один раз, непосредственно после сеанса приёма, и полученные значения углов (8) заносятся в заголовок файла данных. В дальнейшем они используются при построении по изображению картографических проекций.

3.1 Результаты применения метода коррекции географической привязки.

3.1.1 Средние остаточные невязки для серий изображений.

Здесь приведены результаты применения метода к сериям изображений, полученных со спутников NOAA-12,14,15 за период 30.03-10.04.2000. На каждом из изображений задавалось от 4 до 11 опорных точек, в которых после вычисления углов (8) оценивались величины остаточных невязок. В таблицах 1a,б,в приведены средние величины абсолютных значений компонент векторов невязок и их модулей.

Таблица 1а. NOAA-12, 03.04-10.04.Номер витка Dvavg Duavg |(Dv,Du)|avg 46 157 0.1491 0.1251 0.46 0.2487 0.1505 0.46 0.1195 0.1647 0.46 0.2762 0.1300 0.46 0.1993 0.3520 0.46 0.1380 0.2141 0.46 0.04100.1520 0.Электронный журнал ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ 461 46 0.2145 0.2213 0.46 0.1426 0.1765 0.46 0.2710 0.0622 0.Таблица 1б. NOAA-14, 03.04-08.04.Номер витка Dvavg Duavg |(Dv,Du)|avg 27 0.1511 0.0559 0.27 0.2428 0.2298 0.27 0.1516 0.2254 0.27 0.4118 0.2694 0.27 0.2429 0.2728 0.27 0.4064 0.3270 0.27 0.1179 0.0239 0.27 0.2260 0.1121 0.27 0.2087 0.3166 0.27 0.1720 0.1909 0.Таблица 1в. NOAA-15, 30.03-07.04.Номер витка Dvavg Duavg |(Dv,Du)|avg 9 0.2676 0.0559 0.9 0.3322 0.2654 0.9 0.0966 0.2086 0.9 0.3511 0.3503 0.9 0.1184 0.2191 0.9 0.1741 0.1742 0.9 0.2152 0.3106 0.9 0.0996 0.1989 0.9 0.1604 0.2070 0.9 0.2014 0.2631 0.Полученные результаты показывают, что применение метода позволяет достичь подпиксельной точности географической привязки любого изображения, полученного с действующих сейчас спутников NOAA.

3.1.2 Подробное рассмотрение остаточных невязок на отдельном изображении.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам