Ортокартографирование с наборами данных мозаики

Ортокартографирование связано с процессами построения орто продуктов, таких как мозаика изображений, цифровая модель поверхности (ЦМП или DTM) и цифровая модель местности (ЦММ или DSM), из набора изображения дистанционного зондирования Земли.

Если для полного покрытия изучаемой территории требуется много изображений, необходимо слить их вместе в набор данных ортомозаики. Для таких спутниковых и аэрофотоизображений характерны геометрические ошибки и сдвижки между смежными изображениями, вызванные различными систематическими или случайными факторами. Чтобы улучшить геометрическую точность и уменьшить сдвижки, необходимо выполнить для этих изображений пакетное блочное уравнивание, также известное как триангуляция изображений.

Цифровая модель рельефа (ЦМР или DEM), использующаяся при ортотрансформировании изображения, играет важнейшую роль в достижении геометрической точности выходной мозаики изображений, особенно для сложных ландшафтов. Если вам требуется высокая геометрическая точность выходной мозаики изображений, вам потребуется получить по стереопарам цифровые модели рельефа и местности высокого разрешения.

ArcGIS Desktop поддерживает пакетное блочное уравнивание спутниковых и аэрофотоизображений. Программа может строить продукты ортокартографирования, такие как ЦММ, ЦМП, при пакетном блочном уравнивании. Далее приведена схема рабочих процессов высокого уровня для построения продуктов ортокартографирования.

Рабочий процесс ортокартографирования состоит из шести шагов:

• Создание набора данных мозаики.
• Выполнение пакетного блочного уравнивания.
• Создание облака точек из набора данных мозаики.
• Создание ЦММ и ЦМП.
• Цветовой баланс и сведение мест сшивки.
• Построение продуктов ортокартографирования.

Создание набора данных мозаики

Набор данных мозаики - модель данных ArcGIS, использующийся для управления и сбора изображений, например, спутниковых снимков, аэрофотоснимков, отсканированных аэрофотоснимков, а также изображений UAS и UAV. Рабочий процесс ортокартографирования начинается с создания набора данных мозаики из изображений изучаемой области.

1. Создайте набор данных мозаики с помощью инструмента Создать набор данных мозаики.
2. Добавьте данные с помощью инструмента Добавить растры в набор данных мозаики, выбрав соответствующий тип данных. Подробнее о типах растров см. раздел Что такое тип растра.

Ниже приведен вид контуров набора данных мозаики, созданного из изображений UAV.

После создания набора данных нужно выполнить пакетное блочное уравнивание.

Выполнение пакетного блочного уравнивания

Пакетное блочное уравнивание - процедура, улучшающая ориентацию изображения и его геометрические параметры посредством решения математической модели, полученной по набору опорных точек. Вычисленные геометрические параметры будут использоваться для корректировки ориентации изображения и, с использованием цифровой модели рельефа, его орторектификации. Используемые при этом опорные точки бывают трех типов:

• Связующая точка - точечное местоположение, совпадающее для нескольких перекрывающихся изображений. Реальные координаты этих точек неизвестны, зато известны их внутренние координаты (на изображении). Связующая точка может быть двухлучевой - то есть точкой, для которой есть две соответствующие точки на двух перекрывающихся изображениях. У такой точки может быть большее количество лучей - если используется больше перекрывающихся изображений.
• Опорная точка на земной поверхности (GCP) - это точка, с известными координатами на земной поверхности.
• Проверочная точка - близка к GCP, но используется для оценки точности корректировки.

Пакетное блочное уравнивание решает уравнения коллинеарности по этим опорным точкам и вычисляет преобразования, используя для уменьшения и распределения ошибок этих опорных точек метод наименьших квадратов. В результате геометрические ошибки изображения будут исправлены или минимизированы, а несоответствия - убраны.

ArcGIS Desktop Процедура пакетного блочного уравнивания содержит набор инструментов геообработки в группе инструментов Ортокартографирование:

• Для автоматического создания связующих точек
• Для автоматического вычисления опорных точек земной поверхности по базовому изображению или частям изображений
• Создание для ЦМП и ЦММ
• Для точного блочного уравнивания спутниковых снимков, аэрофотоснимков или изображений, полученных беспилотными летательными аппаратами, а также уравнивания методом полиномов для данных ДДЗ, не имеющих описания кадровой камеры или коэффициентов рационального многочлена (RPC)

При вычислении сопоставления изображений задействуется несколько ядер одного или нескольких компьютеров, развернутых в ArcGIS Server. Может быть обработано большое число изображений. Помимо этого, окно Блочного выравнивания можно использовать для редактирования опорных точек и анализа его результатов.

Ниж представлен рабочий процесс пакетного блочного уравнивания набора данных мозаики в ArcGIS Desktop.

После создания набора данных мозаики на следующих трех шагах подготавливаются опорные точки, необходимые для выполнения процесса пакетного блочного уравнивания. После создания различных опорных точек, нужно их проанализировать с точки зрения покрытия. По окончании вычисления уравнивания результат можно применить к вашему набору данных мозаики.
1. Воспользуйтесь инструментом Вычислить связующие точки с целью автоматического создания совпадающих точек перекрывающихся изображений набора данных мозаики.

   Кроме того, в окне Блочное уравнивание можно вручную редактировать связующие точки.

2. Добавление GCP к вашему набору данных мозаики. Есть несколько способов добавления GCP в ArcGIS:
   • Если у вас есть опорное изображение, воспользуйтесь инструментом Вычислить опорные точки для получения GCP, а затем - инструментом Присоединить опорные точки, чтобы добавить их в таблицу опорных точек. Опорным может быть любое изображение, характеризующееся точными координатами, например, слой изображений Data and Maps for ArcGIS или геопривязанный фрагмент изображения.
   • Если ваши GCP хранятся в текстовом файле или в таблице, можно импортировать их в окне Блочное уравнивание.
   • Если координаты ваших GCP хранятся не в текстовом файле и не в таблице, вручную введите координаты, взятые из окна Блочное уравнивание.
3. Создание проверочных точек с использованием метода создания GCP. После создания проверочных точек воспользуйтесь окном Блочного уравнивания для изменения типа - с GCP на CHK.

   Проверочные точки похожи на GCP, но используются для оценки точности уравнивания.

4. Создайте покрытие опорными точками и таблицу наложения, запустив инструмент Анализировать опорные точки.

   Наличие точных и сбалансированных опорных точек - важнейшее условие для выполнения процесса пакетного блочного уравнивания. Для визуализации покрытия опорными точками и работы с ним используйте две таблицы в окне Блочное уравнивание.

5. Когда будет готова таблица опорных точек, выполните уравнивание, запустив инструмент Вычислить блочное уравнивание для получения таблицы результатов и таблицы результирующих точек.

   RPC	Используется для космических снимков с моделью RPC.
   Frame	Используется для аэрофотоснимков.
   Polyorder	Алгоритм уравнивания невысокой точности, выполняющий трансформацию в пространстве карты без уравнивание ориентации камеры. Его можно использовать для изображений, для которых отсутствуют RPC и модель кадра камеры. Основная цель - уменьшение расхождений между перекрывающимися изображениями без использования точности привязки к земной поверхности.

   Итоговая таблица сохраняет трансформации, вычисленные для всех изображений. В таблице результирующих точек содержатся все точки, полученные в результате выполнения пакетного блочного выравнивания, например, точки в 3D-координатах земной поверхности. Дополнительные сведения о выходных таблицах см. в разделе Схемы таблиц блочного уравнивания.

   Для изображений UAS и UAV, которые содержат меньше информации об ориентации камеры, есть инструмент Вычислить модель камеры, предназначенный для вычисления параметров ориентации камеры. Сначала запустите инструмент для изображения с уменьшенным разрешением. Затем вычислите снова модель камеры для максимального разрешения и выполните все действия по блочному уравниванию, собранные в один инструмент геообработки.

   

6. Воспользуйтесь окном Блочное уравнивание для анализа вычисления блочного уравнивания и дальнейшего увеличения точности.
   1. Анализирует среднеквадратическую ошибку (RMS) для каждого изображения.
   2. Проверьте значения отклонений опорных точек, например, отсортировав их, чтобы найти, у каких изображений большие значения RMS.
   3. Найдите точки с большими отклонениями.
   4. Найдите явно ошибочные точки.
   5. Отредактируйте точки, удалите лишние и добавьте дополнительные связующие точки.
7. После того как вы отредактируете свои опорные точки, пересчитайте уравнивание посредством инструмента Вычислить блочное уравнивание.
8. Если точность уравнивания вам подходит, запустите инструмент Применить блочное уравнивание для применения уравнивания к набору данных мозаики и изображениям. Полученная мозаики будет корректно геопривязана.

Геометрическую точность набора данных мозаики можно еще улучшить, если для решения задачи уравнивания у вас есть данные о рельефе земной поверхности высокого разрешения. Данные о рельефе земной поверхности высокого разрешения можно создать из уравненного набора данных мозаики, как показано в расположенном ниже разделе Создание ЦМП и ЦММ.

Создание облака точек из набора данных мозаики.

Стереопара состоит из двух изображений одной и той же территории, снятых под разными углами. Из стереопары можно получить 3D-точки, выполнив триангуляцию совпадающих точек. Набор данных мозаики, использующийся для создания облака точек, должен удовлетворять двум требованиям: он должен быть геометрически корректен и для него должны быть заданы стереопары инструментом Построить стереомодель.

Если для набора данных мозаики не была выполнена геометрическая коррекция, требуется сделать пакетное блочное уравнивание. Чтобы создать качественную стереопару, у двух изображений должна быть большая область перекрытия и не слишком большой угол пересечения. Если область перекрытия недостаточна или угол пересечения слишком большой либо слишком маленький, пару изображений нельзя назвать стереопарой, и при построении стереомодели она должна быть устранена.

Когда набор данных мозаики будет готов, запустите инструмент Создать облако точек для получения выходного облака точек. Результаты сохраняются в папку LAS-файлов. Файлы LAS можно использовать в качестве входных точек для создания ЦМП или ЦММ либо для получения набора данных LAS.

ArcGIS Desktop предоставляет вам три алгоритма создания облака точек:

• Улучшенное сопоставление местности (ETM) - Выполняет быстрое вычисление с помощью меньшего количества точек для быстрого создания ЦМП
• Полуглобальное сопоставление (SGM) - Создает достаточно плотное облако точек высокой детальности, подходящее для городских ландшафтов со строениями
• Улучшенное полуглобальное сопоставление (ESGM) - Позволяет получить четкие контуры зданий за счет увеличения вычислительной мощности

Ниже представлены два результата создания облаков точек. Расположенное слева изображение - уравненный набор данных мозаики. Изображение справа - модель LAS, созданная из точек LAS, полученных по результатам обработки набора данных мозаики.

Создание ЦММ и ЦМП

Инструмент Создать облако точек позволяет получить из набора данных мозаики на выходе 3D-точки в формате LAS. Это может применяться для создания поверхности: интерполируя значения высот точек земной поверхности, мы сможем получить ЦМП, а используя для интерполяции высоты всех точек - ЦММ.

Таблица результирующих точек, полученная по итогам блочного уравнивания, может также использоваться для интерполяции ЦМП. Поскольку точки расположены не так часто, как точки LAS, полученные по итогам работы инструмента Создать облако точек, для предотвращения появления пикселов с потерянной информацией используется триангуляция или метод ближайшего соседства.

Ниже приведена выходная ЦМП (слева) и ЦММ с отмывкой (справа).

Цветовой баланс и сведение мест сшивки

По окончании геометрической коррекции набора данных мозаики есть два способа визуально улучшить его отображение: выполнить цветовой баланс изображений и построить линии сшивки набора данных мозаики.

Цветовой баланс обычно необходим для спутниковых снимков, поскольку изображения могут быть получены в разные дни. Перед выполнением цветового баланса необходимо вычислить статистику и построить гистограммы для каждого изображения в наборе данных мозаики, запустив инструмент Построить пирамидные слои и статистику. После построения статистики и гистограмм запустите инструмент Цветовой баланс набора данных мозаики для улучшения цветового баланса изображений. Обычно метод Увеличения контрастности с цветовой поверхностью Второго порядка позволяют получить неплохой результат.

Линии сшивки - полигоны, использующиеся для задания границ мозаики и обработки мест наложения изображений. Инструмент Построить линии сшивки предоставляет вам несколько стандартных алгоритмов для автоматического получения линий сшивки:

• Радиометрия - вычисляет линии сшивки, основываясь на значениях пикселов с помощью алгоритма оптимального пути по стоимостной поверхности
• Вороной - разделяет контуры изображений, используя диаграмму Вороного
• Диспаратность - получает линии сшивки, вычислив диспаратность для изображений стереопары, использующиеся для выполнении мозаики в высоком масштабе в случае, если на соответствующей территории имеются строения.

Чтобы уменьшить сложность обработки и выбрать наиболее подходящие изображения, перед созданием линий сшивки и выполнением операций цветового баланса запустите инструмент Вычислить кандидатов для мозаики.

Ниже приведен пример построения линий сшивки при помощи метода Диспаратность для изображений UAV.

Построение продуктов ортокартографирования

Последним шагом является создание орто продуктов. ArcGIS Desktop предоставляет инструменты для построения различных форм продуктов ортомозаики на основании ваших требований.

• Если необходимо опубликовать сервис изображений, можно опубликовать набор данных мозаики как сервис изображений.
• Если необходимо опубликовать полистный сервис ArcGIS Online, можно создать кэш листов и опубликовать его.
• Если нужно создать мозаику в виде файлов, воспользуйтесь инструментом Копировать растр для создания выходных данных в формате .tif или .crf.
• Если вы хотите создать листы изображений, используя заданный пользователем размер листа, запустите инструмент Разбить растр, чтобы создать серию листов из набора данных ортомозаики.
• Если вам нужно создать ортотрансформированные сцены изображений, воспользуйтесь инструментом Экспорт элементов набора данных мозаики для экспорта каждого изображения набора данных мозаики.

Ниже показан окончательный результат ортокартографирования - ортомозаика, сохраненная в формате TIFF.