Ортокоррекция космических снимков с использованием RPC

Эта страница является черновиком статьи.

Введение

Начнем с определения, что же такое ортокоррекция.
Ортотрансформирование (ортокоррекция) изображения (снимка) – математически строгое преобразование исходного изображения (снимка) в ортогональную проекцию и устранение искажений, вызванных рельефом, условиями съемки и типом камеры.

При этом, иногда употребляют не совсем корректный термин орторектификация, который по сути является англоизмом термина orthorectification.
На самом деле orthorectification — ОИ ортотрансформирование, ортоисправление ортокоррекция (orthocorrection) с трансформированием изображения в заданную проекцию

Что такое ортотрансформация? Это процесс геометрической коррекции изображений, при котором устраняются перспективные искажения, развороты, искажения вызванные дисторсией объектива и другие. Изображение при этом приводится к плановой проекции, то есть такой при которой каждая точка местности наблюдается строго вертикально, в надир. Чтобы выполнить такое преобразование необходимо устранить искажения, вызванные рельефом. Следовательно, для трансформации нужна модель рельефа, нужно знать высоту местности для каждой точки снимка.

Перераспределение пикселов на изображении в результате ортокоррекции

Почему нужно выполнять ортокоррекцию космических снимков, ведь спутники осуществляют съемку с очень большой высоты (сотни километров) и искажения минимальны? Дело в том, что спутник не может все время снимать в надир, иначе пришлось бы ждать очень большое время когда спутник пройдет над заданной точкой. Для устранения этого недостатка космический аппарат "доворачивают" и большинство кадров получаются перспективными. Следует заметить, что углы съемки могут достигать 45 градусов, и при такой высоте это приводит к значительным искажениям.

Зачем проводить ортокоррекцию космических снимков, если все и так на изображении можно различить, а в результате дополнительных операций качество ухудшится? Если целью стоит только выявление фактов по изображению и никаких требований к точности позиционирования, измерению длин и площадей не предъявляется, то проводить ортокоррекцию вовсе не обязательно. Но если нужны измерительные и позиционные свойства изображения, а также если необходимо точное совмещение разновременные изображения (или даже стыковка перекрывающихся включений), то ортокоррекция крайне рекомендуется.

Необходимые данные

Для проведения ортокоррекции космического снимка необходимо:

• Космический снимок в одном из форматов поставки (обычно TIFF)
• Коэффициенты RPC к нему
• Информация о рельефе в виде DEM (Digital Elevation Model)

Рассмотрим подробнее комплекты поставки основных компаний рынка детальной космической съемки: GeoEye и DigitalGlobe (образы продукции собраны на отдельной странице).

GeoEye

Продуктовая линейка GeoEye включает в себя:

• Geo
• GeoProfessional
• GeoStereo

Подробнее о продуктах компании можно почитать скачав брошюру Product Guide (требует регистрацию, но потом дает прямую ссылку).

Нас в первую очередь интересует продукт Geo - который представляет подготовленный набор данных к ортокоррекции (он же самый дешевый).

Комплект поставки продукции GeoEye включает в себя (на примере Transportation GeoEye-1 Sample):

Состав поставки данных с КА GeoEye-1

GeoEye_logo.tif
po_344780_aoi.dbf
po_344780_aoi.prj
po_344780_aoi.shp
po_344780_aoi.shx
po_344780_component.dbf
po_344780_component.prj
po_344780_component.shp
po_344780_component.shx
po_344780_image.dbf
po_344780_image.prj
po_344780_image.shp
po_344780_image.shx
po_344780_metadata.txt
po_344780_rgb_0000000.hdr
po_344780_rgb_0000000.tfw
po_344780_rgb_0000000.tif
po_344780_rgb_0000000_ovr.jgw
po_344780_rgb_0000000_ovr.jpg
po_344780_rgb_0000000_rpc.txt
SingleOrganization_license.txt

Как можно заметить все файлы начинаются на po_344780 - это номер заказа по которому подготовлен это рабочий набор. Если посмотреть на содержимое каталога с использованием wxGIS Catalog то можно увидеть что в комплекте поставки имеются три шейп-файла (район заказа, проекции изображений - я так понимаю до и после предварительной обработки, во всяком случае, обычно они совпадают), текстовый файл метаданных, собственно изображение в формате TIFF, overview в формате JPEG с привязкой и файл с RPC данными.

wxGIS Catalog может работать с ZIP архивами, как с обычными папками. Если посмотреть метаданные изображения (щелкнуть правой клавишей мыши на po_344780_rgb_0000000.tif и выбрать "Свойства"), то можно убедиться, что изображение географически привязано (имеется описание системы координат, значения экстента представляют собой географически координаты, а не пиксельные) и корректно определяется наличие RPC данных.

Диалог вывода метаданных изображения

В диалоге можно посмотреть другие метаданные, извлеченные из изображения.

Следует отметить, что программное обеспечение воспринимает изображение не как один файл в формате TIFF, а как набор из файлов, в который входят, для нашего случая, еще и файлы с расширением hdr, tfw, _rpc.txt. wxGIS Catalog корректно работает с таким набором и при переименовании будет переименовывать все связанные файлы, а при удалении, копировании, перемещении - соответственно, удалять, копировать и перемещать.

Таким образом, мы убедились, что комплект поставки материалов съемки содержит необходимую информацию для выполнения ортокоррекции.

Аналогичный состав имеет комплект поставки материалов съемки с КА Ikonos.

А вот комплект поставки с третьего КА компании - OrbView-3, который стал свободно доступен (подробнее можно почитать на странице описания каталога данных OrbView-3), имеет ряд нюансов.

Комплект поставки продукции GeoEye с КА OrbView-3 включает в себя (на примере территории в Белоруссии):

3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.att
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.dbf
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.eph
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.jgw
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.jpg
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.prj
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.pvl
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.shp
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.shx
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680.tif
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_aoi.dbf
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_aoi.prj
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_aoi.shp
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_aoi.shx
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_rpc.txt
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_src.dbf
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_src.prj
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_src.shp
3v050909p0000897861a520004700712m_001631680_src.shx
unrestricted_license.txt

Как видим названия файлов также имеют общую часть 3v050909p0000897861a520004700712m_001631680 - здесь мы видим дату съемки 050909 (2005-09-09T09:32:38.745600Z). номер в каталоге и уровень обработки 897861a (89786 и 1А), номер заказа 001631680 (OPS001631680). А вот состав файлов отличается. Но главное отличие, что поставляемые TIFF файлы не имеют географической привязки и описания СК, внедренные в файл.

wxGIS на лету подставляет необходимые данные в заголовок TIFF файла при его открытии, но это накладывает ограничение на работу с ZIP архивами - данные не будут записаны в сам файл, поэтому для ортокоррекции материалов съемки с КА OrbView-3 их необходимо предварительно распаковать. Для ортокоррекции в других программных продуктах может понадобится предварительная подготовка таких данных. Особенности ортокоррекции с использованием библиотеки GDAL изложены в отдельной статье.

Ортокоррекция космических снимков в wxGIS

http://gis-lab.info/qa/wxgis-intro.html Bishop Перенести статью в WiKi Остальные операции по ортокоррекции космических снимков в wxGIS являются аналогичными. Подробнее о