Оценка возможности создания цифровых топографических карт и планов на основе космических снимков Pleiades.

Тема: обработка данных космической съемки

Автор: Е.А. Кобзева, «Технология 2000», Екатеринбург, Россия. 2013.

Продукт TRISTEREO компании Astrium — это триплет снимков Pleiades, состоящий из «классической стереопары» и дополнительного надирного снимка, полученных с одного витка. Продукт TRISTEREO позволяет создавать более точные стереомодели горных областей и территорий с плотной высотной застройкой, так как наличие дополнительного снимка снижает вероятность появления «мертвых зон».

Cтатья Е.А. Кобзевой («Технология 2000») «Оценка возможности создания цифровых топографических карт и планов на основе космических снимков Pleiades» продолжает цикл публикаций, посвященных тестированию данных. О точности ориентирования снимков Pleiades читайте в статье П.С. Титарова («Ракурс»).

Принятые в статье сокращения: АФС — аэрофотосъемка, КС — космический снимок, ОФП — ортофотоплан, СВР — сверхвысокое разрешение, ЦТК — цифровая топографическая карта, ЦТП — цифровой топографический план.

Возможность создания цифровых топографических карт и планов обеспечивается двумя основными факторами: 
1. полнота объектового состава карты (плана) и атрибутивной информации; 
2. точность метрического описания объектов.

Полнота объектового состава подразумевает как отображение (либо пропуск) определенных объектов местности, так и детальность (либо степень генерализации) показываемых объектов в соответствии с Условными знаками и другими нормативными документами. Например, некоторое одноэтажное здание будет показано в масштабе 1:2000 двумя площадными объектами (жилое огнестойкое строение плюс крыльцо), в масштабе 1:5000 — одним площадным объектом (жилое огнестойкое строение), а в масштабе 1:10 000 — одним точечным объектом (жилое огнестойкое строение) либо не показано вовсе.

Поэтому оценка возможности создания ЦТК и ЦТП по космическим снимкам включала следующие исследования: 
- анализ дешифровочных свойств, то есть степень распознавания на снимках тех объектов местности, которые необходимо отобразить на ЦТК, ЦТП конкретного масштаба; 
- анализ метрической точности отображения объектов на примере капитальных зданий; 
- контрольную рисовку горизонталей по космическим снимкам.

Основными исходными данными являлись снимки Pleiades, полученные в режиме Tristereo на большую часть г. Екатеринбург и его окрестностей.

Анализ дешифровочных свойств

Методика исследования: выполнена визуальная оценка возможности распознавания объектов местности на КС Pleiades, а также сравнение с КС WorldView-2 и аэроснимками. Надежность распознавания оценена по четырем категориям:
• «A» — уверенное дешифрирование без использования дополнительных материалов;
• «B» — дешифрирование возможно камеральным способом при использовании дополнительных материалов;
• «С» — дешифрирование возможно только с использованием данных полевого обследования;
• «D» — дешифрирование невозможно.

Перечень объектов для анализа соответствует сквозному классификатору цифровых топографических планов масштаба 1:2000 — 1:10 000, принятому в ООО «Технология 2000» и строго соответствующему Условным знакам [3-5].

Исходными данными являлись цифровые ортофотопланы масштаба 1:2000, полученные на одну и ту же территорию по следующим материалам:
• КС Pleiades, размер проекции пикселя на местности 0,5 м, цветовой диапазон RGB, съемка в июне 2013;
• КС WorldView-2, размер проекции пикселя на местности 0,5 м цветовой диапазон RGB, съемка в июне 2010 г.;
• АФС, цифровая камера А3 (VisionMap), размер пикселя на местности 0,1 м, цветовой диапазон RGB, съемка август-октябрь 2012 г.

В качестве дополнительных данных использованы топопланы масштаба 1:500.

Результаты исследования
• Проанализировано 236 объектов классификатора. Общая статистика дешифрирования приведена в таблице 1 и на рисунке 1.

Таблица 1. Сводные результаты возможности дешифрирования объектов

Рисунок 1. Возможность дешифрирования объектов в процентном отношении

По КС СВР чуть менее половины объектов распознаются уверенно (категория «А»), около 10 % объектов дешифрировать невозможно (категория «D») и примерно 50 % объектов могут быть дешифрированы с помощью дополнительных материалов и полевого обследования. Для материалов АФС эти показатели соответственно 55, 5 и 40%.

Дешифровочные свойства КС Pleiades и WorldView схожи. Однако по личному впечатлению операторов на КС WorldView-2 объекты читаются четче и более уверенно.

Ниже приводится характеристика дешифровочных свойств по различным типам объектов.

Геодезическая основа. Пункты ГГС, точки съёмочной сети и реперы опознаются на КС СВР только при наличии дополнительных материалов. На открытых участках уверенно читается окопка, если она сохранилась.

Рельеф суши. В данном классе объектов помимо основных элементов рельефа (горизонталей, отметок высот) попадают различные формы нарушения рельефа, как естественные (овраги, промоины, обрывы), так и искусственные (ямы, откосы). На одиночных снимках различные формы нарушения рельефа могут быть дешифрированы, в основном, по форме тени. При переходе от одиночного снимка к стереопаре, распознаваемость резко увеличивается — фактически все объекты (из числа присутствовавших на изучаемом снимке) переходят в категорию «А».

Гидрография. Объекты естественного и искусственного происхождения, относящиеся к данному слою, как правило, дешифрируются уверенно по прямым признакам на любом типе снимка, т.к. типичные размеры объектов гидрографии значительно превосходят величину пространственного разрешения исследуемых снимков. В категорию B, C, D попадают объекты естественного и искусственного происхождения, скрытые растительностью. 
Основные проблемы возникают при дешифрировании искусственных сооружений: различные типы колодцев и колонок имеют небольшие размеры и практически не поддаются дешифрированию. 
Все точечные элементы слоя требуют дополнительных материалов для уточнения местоположения и назначения.

Населённые пункты. Разрешающая способность исследуемых снимков позволяет обнаруживать отдельные строения даже небольших размеров, поэтому все типы населённых пунктов по снимку дешифрируются уверенно, также уверенно дешифрируются кварталы в населённых пунктах любого типа и садовые участки. 
Затруднения вызывает определение огнестойкости зданий и сооружений: даже по снимкам, снятым не в надир, определить огнестойкость строительных материалов зданий затруднительно.

Социально-экономические объекты. Слой содержит здания и сооружения нежилого назначения (промышленные и сельскохозяйственные предприятия, социально-культурные и религиозные объекты), а также вышки, башни, столбы и опоры, линии связи и электропередач, трубопроводы, заборы и ограждения. Большинство этих объектов имеет значительные (по отношению к разрешающей способности съёмочной системы) размеры и может быть относительно легко дешифрировано. 

Столбы и опоры имеют небольшие размеры (в горизонтальной плоскости), встречаются затруднения в дешифрировании местоположения основания объектов, даже по отчётливо читаемым теням. 

Основные проблемы возникают при конкретизации класса объекта: так, трудно без дополнительных материалов определить материал и форму опоры или ограждения, рабочее напряжение линии электропередач, назначение промышленного предприятия и т.д.

Дорожные сети и дорожные сооружения. К этому слою относятся объекты транспортной инфраструктуры (авто- и железные дороги, а также некоторые связанные с ними объекты: насыпи, мосты и туннели, опоры контактной сети ж/д и т.д.), наземные сооружения обеспечения деятельности метрополитенов, а также пешеходные дорожки. 

Линейные протяженные объекты этого слоя поддаются наилучшему дешифрированию (по сравнению с объектами любых других слоёв) — более 2/3 объектов имеет категорию дешифрирования «А». Проблемы при дешифрировании даже при наличии дополнительного материала представляют точечные и мало протяжённые линейные объекты: трубы под дорогами и некоторые тротуары (часто скрыты зелёными насаждениями). Обнаружение таких объектов может быть облегчено использованием стереорежима и дополнительного материала.

Растительный покров и грунты. В этом слое объединена вся растительность, как естественного, так и искусственного происхождения. Большинство площадей, занятых растительностью, легко дешифрируется по цвету и/или фототону. Проблему, как правило, представляет отнесение её к конкретному виду (например, трудно отделить травянистую луговую растительность от степной).

При создании топопланов масштабов 1:2000 и 1:5000 основные затруднения будут в отображении следующих объектов:
• геодезические пункты (только с использованием доп. материала);
• части строений (различные выступы строений сложной формы, отображаемые на ЦТП масштаба 1:2000);
• сооружения точечной локализации (только с использованием доп.материала или при наличии стереоснимков);
• опоры и столбы ЛЭП.
• некоторые участки гидрографии (сложно исключить растительность);
• гидротехнические объекты (только с использованием доп. материала);
• мосты, путепроводы, переправы (только с использованием доп. материала);
• рельеф местности;
• растительность (разделения по типам);
• микроформы земной поверхности.

Обобщая полученные данные, можно сказать, что при наличии дополнительной информации и материалов полевого обследования дешифровочные свойства КС Pleiades позволяют выполнять обновление и создание топопланов масштабов 1:5000 и 1:2000 на небольшие, разреженно застроенные населенные пункты; на межселенную территорию с преимущественным наличием протяженных линейных и площадных объектов. При полевом обследовании потребуется нанесение всех точечных объектов. 
Уверенно КС Pleiades возможно использовать для обновления и создания карт и планов масштаба 1:10000.

Анализ точности отображения объектов

Методика исследования: по фотопланам и стереопарам выполнена отрисовка капитальных зданий так, как это выполнялось бы при создании цифровых топографических планов, то есть с использованием ортогональных шаблонов, с учетом перспективных искажений («завалов»), но с максимально подробным отображением архитектурных деталей. Выбраны здания двух категорий: многоэтажные в городской застройке и одно-двухэтажные в частной застройке. Проведено сравнение положения, размеров и форм полученных объектов.

Исходные материалы:
• стереопара КС Pleiades (угол конвергенции 14 градусов), размер пикселя 0.5 м (0.7 м GSD), PAN, система координат WGS84 проекция UTM41, год состояния местности 2013;
• ортотрансформированный КС Pleiades (угол наклона 4 градуса), размер пикселя 0.5 м (0.7 м GSD), RGB, система координат WGS84 проекция UTM41, год состояния местности 2013;
• ортотрансформированный КС WorldView-2, размер пикселя 0.5 м (0.4 м GSD), RGB, система координат WGS84 проекция UTM41, год состояния местности 2010;
• контрольные данные — ортофотопланы масштаба 1:2000, созданые по аэроснимкам А3, размер пикселя 0.1 м, RGB, система координат WGS84, проекция UTM41, год состояния местности 2012.

Всего нанесено 40 зданий в городской застройке (разной формы, серии и года постройки) и 43 здания в частной застройке (уверенно читающиеся по снимкам, не закрытые растительностью).

Результаты исследования:
При анализе результатов учитывались требования действующих нормативно-технических актов [1-3]:
• предельные погрешности во взаимном положении точек близлежащих важных контуров для ЦТП м1:2000 — 0.8 м, для ЦТП м1:5000 — 2,0 м;
• должны быть показаны архитектурные фигурные детали, выступы, уступы строений при их размерах 1,0 м для ЦТП м1:2000 и 2,5 м для ЦТП м1:5000.

Полученные результаты: 
1. Средняя погрешность нанесения углов зданий по одиночным изображениям Pleiades и WorldView одинакова и составляет 1,3 — 1,5 м. Средняя погрешность нанесения углов зданий по стереопарам Pleiades в два раза лучше, чем по одиночным снимкам, и составляет 0.9 м. 
2. Максимальные погрешности составили 4,0 — 5,4 м для одиночных изображений и 3,5 м для стереоизображений. 
3. Форма и размеры капитальных зданий простой формы отображаются верно по КС. 
4. Архитектурные фигурные детали отображаются как верно, так и неверно в зависимости от контраста с окружающей местностью, в ряде случаев — пропущены. 
5. В частной застройке встречаются следующие трудности: разделение жилых и нежилых построек при их смыкании; нарушение формы и размеров строений (до 2 м).

Также можно видеть результаты в таблице 2 и на рисунках 2-5 (слева — ОФП Pleiades, справа — ОФП А3; голубым цветом показан контур строения с ОФП Pleiades, синим — с ОФП А3; при анализе учтен систематический сдвиг, вызванный разницей в ориентировании снимков).

Анализ рисовки горизонталей

Методика исследования: рисовка горизонталей вручную по стереопаре Pleiades на пилотном участке и сравнение с контрольными данными. Для рисовки горизонталей выбран открытый всхолмленный участок с частной застройкой (рис. 6) — местность, с одной стороны, не затрудняющая рисовку рельефа, не осложненная лесом или высотной застройкой, с другой стороны — типовая при создании ЦТП крупных масштабов. Перепад высот на участке 60 м (абсолютные высоты от 220 до 280 м), площадь участка 1,5 кв. км.

Исходные материалы:
• стереопары КС Pleiades (N+P c углом конвергенции 14 градусов и L+P с углом конвергенции 21 градус), размер пикселя 0,5 м (0.7 м GSD);
• контрольные данные: ЦТК масштаба 1:10 000 с сечением рельефа горизонталями через 2,0 м, созданная методом стереотопографической съемки по аэроснимкам масштаба 1:25 000.

Результаты исследования приводятся ниже и проиллюстрированы на рис. 7-8. 
1. Общие формы рельефа показаны верно. 
2. Рельеф слишком генерализирован, пропущены горки высотой 3-4 м, сглажены и не отображены лога. 
3. Формы рельефа лучше выражены на стереопаре L+P, чем N+P, что объяснимо большим углом засечки. В этом случае съемка в режиме «триплет» имеет преимущество перед обычной стереосъемкой.

Выводы

В целях создания цифровых топографических карт и планов, которые носят универсальный характер и предназначены для решения широкого круга задач, космические снимки Pleiades могут уверенно использоваться для масштаба 1:10 000 с сечением рельефа 2 м.

Для картографической продукции масштабов 1:2000 — 1:5000 космические снимки должны использоваться ограниченно в зависимости от характеристик местности и задач, для которых создается картографическая продукция.

Создание (обновление) ЦТП масштаба 1:2000 на застроенные территории по КС Pleiades с соблюдением нормативных требований [1], [2] невозможно.

Создание (обновление) контурной части ЦТП масштаба 1:5000 на застроенные территории по КС Pleiades должно выполняться по стереоснимкам. Использование одиночных снимков не обеспечивает соблюдение нормативных требований [2].

Эти же выводы справедливы и для КС WorldView.

По КС СВР могут создаваться специализированные планы крупных масштабов с усеченным объектовым составом и пониженной точностью.

Список литературы 
1. Инструкция по топографической съемке в масштабах 1:5000, 1:2000, 1:1000 и 1:500. — М.: Недра, 1982. 
2. Инструкция по фотограмметрическим работам при создании цифровых топографических карт и планов. — М.: ЦНИИГАиК, 2002. 
3. Условные знаки для топографических планов масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500. — М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. 
4. Условные знаки для топографической карты масштаба 1:10 000. — ГУГК. М.. Недра. 1977 г. 
5. Временные дополнения в условные знаки для топографической карты масштаба 1: 10 000 издания 1977 г., ФСГиК России, 2002 г.

Приложение

Таблица 2. Сводные результаты по оценке точности нанесения объектов ЦТП

Рисунок 2. Размеры здания неверные (ширина здания 9 м по АФС и 10 м по КС) (1); по КС невозможно отделить жилую постройку от нежилой (2)

Рисунок 3. Не отображен уступ шириной 1.5 м (1), форма и размер здания отображены с ошибкой 2 м (2)

Рисунок 4. Форма и размеры капитальных многоэтажных зданий простой формы отображаются верно

Рисунок 5. Архитектурные фигурные детали могут быть пропущены (уступы по левой стороне здания показаны, а по правой пропущены)

Рисунок 6. Пилотный участок для рисовки горизонталей

Рисунок 7. Общая картина сравнения горизонталей: коричневым цветом - созданы по аэроснимкам, синим цветом - созданы по КС Pleiades. Общие формы рельефа показаны верно

Рисунок 8. Сравнение горизонталей: коричневым цветом — созданы по аэроснимкам, синим цветом — созданы по КС Pleiades. Пропущены горки высотой до 3-4 м (1), (2), (3), не отображен лог (4), (5)

Рубрики