Družicová fotogrammetrie (Specifika transformace družicových snímků) Definice: část fotogrammetrie, zabývající se zjišťováním geometrických vlastností a polohy objektů z družicových obrazových záznamů Snímek vzniká v dynamickém režimu a vedle již definovaných zdrojů zkreslení obsahuje další: • Geometrie dráhy družice • Poloha družice • Efekt rotace Země Nutnost využití principů fotogrammetrie: • Zvyšuje se prostorové rozlišení družicových dat – některé vlivy na geometrii obrazu již nelze zanedbat • Mnoho družicových systémů poskytuje snímky šikmé (off-nadir) při poměrně malé šířce scény • Mnoho družicových systémů pořizuje snímky ve stereo-režimu • Přesnější postupy geometrické korekce vyžadují metody následné fůze dat Družicová fotogrammetrie (zdroje nepřesností v geometrii družicových snímků) Zdroj: Toutin, 2004 Družicová fotogrammetrie (specifika transformace družicových snímků) • Fotogrammetrické postupy se liší při zpracování snímků z různých systémů. • Zpracování se týká se především snímků vznikajících tzv. podélným skenováním elektrooptickými skenery. • Snímky z mechanooptických skenerů vznikají při tzv. příčném skenování a mají horší geometrické vlastnosti. • Na současných družicových systémech probíhá skenování přes matici CCD detektorů Geometrická transformace družicových snímků • empirický přístup - („přibližný“) pro snímky kolmé, pořízené se širokým úhlem záběru. • modelový přístup – modelují se všechny podstatné zdroje nepřesností Empirické modely Poměrové funkce („rational“) RPC          m i n j p k kji ijk m i n j p k kji ijk D ZYXb ZYXa ZYXR 0 0 0 0 0 0 3 ),,( Poměr dvou polynomů 3 stupně, které jsou funkcí X, Y, Z Koeficienty transformačních rovnic jsou poskytovány se snímkem či je nutné je vypočítat pomocí vlícovacích bodů Využitelné pro letecké snímky pokud chybějí informace o kameře a pro družicové, pokud není znám fyzikální model (IRS). Aplikovatelné na snímky menších rozměrů Empirické modely Rational Polynomial Coefficients Pomocí koeficientů lze přepočítat polohu každého bodu ze souřadnic obrazového souboru (řádek, sloupec) do skutečných souřadnic X,Y,Z Každý snímek obsahuje dvě rovnice (pro řádek a sloupec) Koeficienty jsou součástí hlavičky souboru obrazových dat. Transformace snímků je provedena s pomocí RCP, vlícovacích bodů a výškového modelu. K transformaci jedné scény postačuje 6 vlícovacích bodů Méně přesná transformace nevyžaduje žádné vlícovací body Modelový přístup – fyzikální model • Specifický model senzoru • Model orbity • Model snímaného území Empirické modely geometrické korekce lze využít pro snímky kolmé, pořízené se širokým úhlem záběru. Pro systémy jako SPOT, IKONOS apod. se využívá fyzikálních modelů – spočívají v modelování všech zdrojů geometrických nepřesností. Využívá se principů vnitřní a vnější orientace, kolinearity. Takový model obsahuje tři součásti: Model použitého senzoru – popisuje geometrii, mechaniku a optiku senzoru. V závislosti na družicovém systému existují dvě velké skupiny modelů – model pro skenery používající řádkové uspořádání CCD a model pro maticové skenery. Model orbity - určuje přesnou polohu družice v době zaznamenávání jednotlivých obrazových prvků (řádků.) Řeší parametry vnitřní orientace (satellite orbit segment). Protože je snímek na družici vytvářen v dynamickém režimu jsou parametry také funkcí času. Model snímaného terénu zahrnuje popis topografie (DTM) a model popisující použitý elipsoid. V případě snímků z rozsáhlejšího území je nutné počítat i se zakřivením Země, které právě popisuje tato část. Model terénu je často vytvářen jako meziprodukt v případě, že je k dispozici stereopár družicových snímků. Modelový přístup 2 skenery HRV v PAN módu snímky s prostorovým rozlišením 10 m Ohnisková vzdálenost optického systému kamery je 1084 mm (u klasických komor např. 78 mm) Obrazový úhel (field of view) je 4.1 stupně. Družice se pohybuje na dráze synchronní se sluncem v průměrné výšce 830 km. Jedna scéna obsahuje 6000 řádků, každý s 6000 pixely. Každá řádka je exponována po dobu 1,5 milisekund, tedy celá scéna je vytvářena po dobu 9 sekund. Fyzická velikost jednoho CCD, který vytváří jeden pixel je 13 x 13 mikrometrů. Střed scény je střední pixel prostředního řádku. Parametry modelu pro snímky SPOT Skener vytváří na řadě či matici CCD jeden či několik řádků kolmo k dráze letu Každému řádku přísluší střed promítání a jedinečné hodnoty rotačních úhlů. Poloha středu promítání vzhledem k řádce CCD detektorů (interní orientace a ohnisková vzdálenost) jsou pro každou řádku konstantní. Parametry orientace Vnitřní orientace snímků z družice SPOT Pro každou řádku je definován vlastní svazek paprsků. Vnější orientace snímků Triangulace obrazových záznamů je nestabilní v důsledku úzkých, téměř rovnoběžných svazků paprsků. Prvky vnější orientace - parametry dráhy družice (efemeridy) jsou součástí obrazového souboru. Udávají polohu a pozici družice v 60-ti sekundových intervalech. Efemeridy obsahují následující údaje: • polohu a družice v trojrozměrných geocentrických souřadnicích pro nejbližší sekundu • orientaci v prostoru • vektor rychlosti, který určuje směr pohybu družice • přesný čas expozice středu každé řádky Protože svazky paprsků pro jednotlivé řádky jsou téměř rovnoběžné, roste význam znalosti přesných hodnot úhlu dopadu a vektoru rychlosti Inklinace (úhly dopadu) paprsků vytvářejících obrazový záznam z družice při snímání „“off nadir“ Vektory rychlosti (V) a úhel orientace (O) pro jednu scénu obrazového záznamu. C – střed scény Vektor rychlosti definuje pohyb družice nad sféroidem. Reprezentuje pohyb družice jako kdyby se děl na rovným povrchem Prvky vnější orientace družicových snímků • geodetické souřadnice X,Y,Z středu promítání centrální řádky scény • změny polohy středu promítání podél orbity • tři úhly rotace středu promítání centrální řádky scény • změny tří úhlů podél orbity Protože družicové scény vznikají v dynamickém režimu, prvky vnější orientace pro danou scénu lze definovat následovně: Za pomoci vlícovacích bodů a rovnic kolinearity se určí parametry vnější orientace pro střední řádek scény. x y Automatická extrakce DEM z družicových dat Výškový model 1) Z existujících zdrojů: - SRTM jako vhodný zdroj výškových dat pro úlohy využívající snímků menšího rozlišení (velikost pixelu 90 m) -ASTER Global Digital Elevation Model (velikost pixelu 30 m, přesnost: RMSExy < 30 m, RMSEz < 20 m), http://www.ersdac.or.jp/GDEM/E/4.html - SPOT 3D velikost pixelu 20 m, přesnost polohová 20 m, výšková 15 m) - ... Zdroj: https://lpdaac.usgs.gov/lpdaac/media/images/along_track_imaging_geometry 2) Odvozen přímo z dat (stereorežim) Ortorektifikace družicových dat Zdroj: http://www.geoimage.com.au Polohová zkreslení v závislosti na různých výškových poměrech zobrazeného území (jedná se o posuny počítané na okraji družicové scény). Zdroj: http://www.gisat.cz/content/cz/dpz/zpracovani-dat/ortorektifikace Snímek + DEM + vlícovací body Velikost prostorového rozlišení digitálního výškového modelu by měla odpovídat zhruba 4 až 5ti násobku rozlišení ortorektifikovaných dat a výšková přesnost by měla dosahovat hodnoty rozlišení těchto dat Souřadnice vlícovacích bodů by měly být známy s polohovou přesností odpovídající polovině obrazového prvku a s výškovou přesností dosahující velikosti pixelu. Ortorektifikace družicových dat QuickBird – přesnost orthorektifikace • Oběžná dráha ve výšce 450 km s inklinací 98 ° • Režim PAN rozlišení 0,61 m • XS režim, ozlišení 2,5 m při šířce záběru 16,5 km. • Radiometrické rozlišení 11 bitů • OFF-nadir snímky – pro stereo • Termínové rozlišení 1-3,5 dne podle zem. šířky Zdroj: Cheng et al. 2006 Družicová bloková triangulace • Musí uvažovat také změny v poloze a orientace nosiče • Předpokládá se plynulý pohyb družice po orbitě • Parametry vnější orientace všech řádek scény se získají interpolací parametrů platných pro střed scény. • K interpolaci lze využít polynomů nižšího řádu Bloková triangulace využívá stejně jako u bloku družicových snímků metody nejmenších čtverců Výsledkem jsou následující parametry: • Skutečné souřadnice středu promítání centrální řádky scény • Orientační úhly středu promítání centrální řádky scény • Koeficienty, ze kterých lze odvodit výše uvedené parametry vnější orientace pro jakýkoliv řádek • Skutečné souřadnice vázacích bodů (pokud byly použity) Model senzoru vychází ze znalosti jeho mechanických či optických komponent určujících tzv. parametr IFOV (okamžité zorné pole radiometru). IFOV definuje velikost pixelu ve výsledném obraze. Parametry definující model senzoru slouží k vnitřní orientaci Jsou známy jen pro některé systémy (ohnisková vzdálenost, velikost CCD) Některé systémy je poskytují v podobě tzv. RPC (Rational Polynomial Coefficients) – viz. výše Model senzoru IFOV – instantaneous field of view Poskytuje přesnou prostorovou polohu nosiče v době snímání každého pixelu (tři souřadnice x, y, z), dále přesnou orientaci ve všech třech prostorových osách (tři úhly rotace , ,  ) a také změny v čase Model orbity Zahrnuje jednak definování parametrů geoidu a jednak definování topografie snímaného terénu tedy digitálního modelu území. Model snímaného území x,y,z – souřadnice bodu na zemském povrchu Re – poloměr země f = faktor zploštění (298,255) 2222 eRzyx  1 222                      pee R z R y R x   ep RfR 11