بخشی از مقاله
ارزیابی جامع تصاویر ماهواره ای WorldView-2 به منظورتهیه نقشه توپوگرافی
چکیده
با پرتاب سه ماهواره Geoeye-1، WorldView-1، WorldView-2، نسل قدرتمندی از ماهواره های با توان تفکیک بالا به دنیا معرفی شدند. یکی از این کاربردهای این ماهواره ها تهیه نقشه های بزرگ مقیاس از تصاویر این ماهواره ها است. به دلیل پتانسیل بالای تصاویر ماهواره ای ازدیدگاه علوم ژئوماتیک، روند تولید و بازنگری نقشه ها به صورت روز افزونی به سوی استفاده از تصاویر ماهواره ای سوق داده شده است لذا دقت های مسطحاتی و ارتفاعی تئوریک برای هر تصویر ماهواره ای، با درنظر گرفتن اطلاعات ماهواره مورد نظر و استفاده ازیک سری فرمو لهای تجربی، محاسبه می شوند. این دقت های تئوریک به صورت اولیه می تواند نوع مقیاس نقشه ای را که می توان با استفاده از این تصاویرتهیه کردتعیین نمود. در این تحقیق یک زوج تصویر ماهوارهWorldView-2 ، اخذ شده از شرکت Digital Globe به صورت استریو با قدرت تفکیک مکانی نیم متردر حالت Pan Sharpened ازمنطقه مورد مطالعه در استان مازندران مورد استفاده قرار گرفته است. دراین مطالعه با استفاده از روشهای مختلف مدلسازی به تصحیح هندسی تصویر ماهواره ایWorldView-2 پرداخته وبا دراختیار داشتن75 نقطه کنترل زمینی و استفاده از نقاط مستقل چک و ترکیبات مختلف آنها، جهت بررسی مدلهای ریاضی چند جمله ای، رشنال، TPSوRPCپرداخته، نتایج گویای این مطلب بودکه تصحیح هندسی تصویر با روشهای مدلRPC پاسخگوی دقت مسطحاتی وارتفاعی مورد نیاز درتهیه و بازنگری نقشه های توپوگرافی1:2000 هستند. همچنین بیشتر عوارض موجود در زوج تصویر مذکور هم قابلیت رویت و هم قابلیت تشخیص هستند. ضمنا مشکلات تشخیص عوارض در مرحله ترسیم و کارتوگرافی نه تنها مربوط به تصویر ماهوارهWorldView-2 نمی باشد بلکه این مشکل در مورد عکس های هوایی البته با شدت کمتری نیز مطرح بوده، که با کمک عکس های گویا قابل حل می باشد، همچنین به علت وضوح کمتر تصویر ماهوارهWorldView- 2 نسبت به عکس های هوایی درمرحله ترسیم نیاز به عامل ماهر و با تجربه احساس می شود. نهایتا ازبین مدلهای مذکور، ترکیب دوازدهم (64-11) نقاط کنترل و چک مدلRPC با دقت مسطحاتی (دقت نقاط چک) بالایی در حدود 22 سانتی متر ودقت ارتفاعی(دقت نقاط چک) قابل قبول در حدود 25 سانتی متر ارائه گردید. نتایج گویای این مطلب بود که تصحیح هندسی تصویر با روشهای مدلRPC پاسخگوی دقت مسطحاتی وارتفاعی مورد نیاز درتهیه و بازنگری نقشه های توپوگرافی 1:2000هستند.
واژه های کلیدی: WorldView-2، توان تفکیک بالا، مدلهای ریاضی، RPC، نقشه توپوگرافی، بازنگری، نقشه کاداستر
-1 مقدمه
نقشه و اطلاعات مکانی ابزار حیاتی برای اغلب سازمانهای دولتی بوده ولازمه توسعه پایدار هرکشوری وجود نقشه ها و اطلاعات مکانی به هنگام می باشد. از طرفی هر نقشه ای نشان دهنده وضعیت مکان مشخص در یک زمان مشخص است و از آنجایی که پدیده های سطح زمین همیشه در حال تغییر هستند نقشه ها نیز باید به روز گردند زیرا عدم به روزرسانی نقشه ها
سندیت آنها را از بین خواهد برد. ازطرف دیگر برای تهیــه وبازنگری نقشه های بزرگ مقیاس ضروری است ازمنابع داده ای استفاده کرد که در حداقل زمان تهیــه گردند و همچنین ازلحاظ هزینه به صرفه باشند ضمنا باید معیارهای مورد نظر نقشه های بزرگ مقیاس را برآورده نمایند.
امروزه تصاویر با قدرت تفکیک بالا برای کاربردهای متعدد از جمله تولید و بازنگری نقشه های بزرگ مقیاس، مقاصد نظامی مطالعاتی، برنامه ریزی، حمل ونقل، عمران، ایجاد بناهای جدید شهری، مدیریت منابع طبیعی، مطالعات شهری، تولید DEM و Ortho Photo ، جنگلداری، تشخیص گونه ها و آفات کشاورزی، و غیره استفاده می شوند. قبل از پرتاب ماهواره های با قدرت تفکیک بالا، تصاویر ماهواره ای تجاری موجود فاقد قدرت تفکیک و دقت هندسی کافی برای جوابگویی به تولید وبازنگری نقشه های بزرگ مقیاس بودند.[7]
امروزه استفاده از تصاویر ماهوارهای با توان تفکیک بالا بهدلیل دقت بالای هندسی، محتوای مناسب اطلاعات، پوشش وسعت زیاد و عدم محدودیتهای جغرافیایی و سیاسی و...،موردتوجه کشورها در حوزههای مختلف علوم و مهندسی، طراحی و اجرا قرار گرفتهاست. عواملی چون سرعت، دقت و تکرار پذیری موجب افزایش استفاده از این تصاویرگشته است. تصاویر خام بدست آمده از این ماهوارهها دارای اعوجاجات هندسی می باشد که عوامل و منابع متعددی دارند8]،[2 که تعیین و بررسی مدلهای تصحیح هندسی و زمین مرجع نمودن تصاویر ماهوارهای با توجه به رونق استفاده از آنها در بسیاری از زمینهها در دهههای اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. هرکدام از این خطاهای هندسی به مدلها و توابع ریاضی برای انجام تصحیحات هندسی نیاز دارند. علاوه بر این، مدلهای ریاضی، برای برقراری ارتباط بین زمین و تصاویر به کار می رود.به طور کلی این مدلهای ریاضی در دو گروه عمده قرار می گیرند که عبارتند از: مدلهای فیزیکی و مدلهای تجربی.[2]
در مدلهای فیزیکی تصحیح هندسی براساس هندسهی تصویربرداری در لحظه تصویربرداری و تعیین پارامترهای توجیه خارجی زوج عکس استوار است.در مدلهای تجربی به هندسهی تصویر در لحظهی تصویربرداری نیاز نیست و درصورت فقدان اطلاعات مداری ماهوارهها یا مدل دوربین به ویژه در ماهوارههای با توان تفکیک بالا، دارای کاربرد بیشتری هستند. مدلهای تجربی براساس توابع ریاضی مختلفی بیان شده که برخی از آنها عبارتند از:[2]توابع چندجملهای دوبعدی، توابعRPC، توابع رشنال1و توابع.TPS از مهمترین مزایای این مدلها می توان به مستقل بودن از سنجنده اشاره کرد، نیاز به نقاط کنترل فراوان وحساسیت زیاد به دقت آنها، وابستگی نتایج به توزیع نقاط کنترل، غیر قابل تفسیر بودن پارامترهای موجود در این مدلها، عدم تامین دقت سراسری در صحنه های بزرگ تصویربرداری، و پیچیدگیهای مربوط به شناسایی ساختار بهینه نقاط کنترل از جمله معایب این مدلها میباشد.7]،6،[2
در این مطالعه با استفاده از روشهای مختلف مدلسازی به تصحیح هندسی تصویر ماهوارهایWorldView-2 پرداخته و سعی گردیده است تا یک ارزیابی از قابلیت روشهای مختلف در مدلسازی تصاویر این ماهواره در منطقه شهری مانند ساری بدست آید. همچنین اثر تعداد و توزیع نقاط کنترل در روشهای مدلسازی مورد مطالعه قرار گرفته است. بنابراین در ابتدا لازم است تا یک مرور بر مشخصات سنجنده ماهواره WorldView-2 و همچنین انواع مدلهای هندسی تصاویر ماهوارهای داشته باشیم.
-2 مشخصات تصاویر ماهوارهWorldView-2
ماهواره WorldView-2 از سری ماهوارههای با توان تفکیک بالا، ساخت شرکت Digital Globe است که در هشتم اکتبر سال 2002 به فضا پرتاب گردید. این ماهواره در ارتفاع 550 کیلومتری ازسطح زمین و در یک مدار خورشیدآهنگ در حال چرخش میباشد و در ساعت 10:20 am از نقطه گرهی نزولی مدار خود عبور میکند. پریود گردش ماهواره در مدار100دقیقه و مدت زمان بازبینی مجدد ماهواره 1.1 روز میباشد. هندسه سنجنده این ماهواره از نوع پوشبروم و شامل
یک لنز با فاصله کانونی12.2متر است. هر خط تصویربرداری دارای بیش از27000 آشکار ساز با ابعاد 8 میکرون در حالت پانکروماتیک میباشد و میتواند تصویر را در دو حالت مونو و استرئو به روش flexible با امکان دوران±67° از نادیر تهیهکند و پهنای تصویربرداری در نادیر14.6 کیلومتر است. سنجنده ماهواره دارای توان تفکیک مکانی کمتر از 0.7متر(حدود 0.64 متر درنادیر) برای تصاویرپانکروماتیک و توان تفکیک مکانی 1..6متر برای تصاویر چندطیفی است.[4] ویژگی مهم سنجنده این ماهواره قابلیت تصویربرداری در . باند طیفی از نوع مادون قرمز، سبز و آبی میباشد. بنابراین علاوهبرداشتن توان تفکیک مکانی بالا، دارای توان تفکیک طیفی مناسب نیز بوده و یک سنجنده با توان تفکیک بالای مکانی و طیفی بهحساب میآید.
-3 داده های موجود از منطقه مورد مطالعه
دراین تحقیق، یک زوج تصویراستریوWorldView-2 به صورت Pan Sharpened از منطقه مورد مطالعه در استان مازندران که در ماه اکتبر اخذ شده برای ارزیابی تهیه نقشههای بزرگ مقیاس مورد بررسی قرار گرفته است.
تصویرPan Sharpened از ترکیب تصویر پانکروماتیک (سیاه و سفید) با تصویر رنگی بدست آمده و تصویر حاصله خصوصیات طیفی باندهای رنگی و خصوصیات مکانی باند پانکروماتیک را دارد.
شکل:1 بخشی از تصویر ماهوارهWorldView-2 شهرساری
یک زوج تصویراستریوWorldView-2 به صورت Pan Sharpened با مشخصات زیر، این تصویر دارای سیستم مختصات بیضوی مبنای WGS84 و سیستم تصویرUTM، واقع در قاچ 22 میباشد.
جدول 1 :مشخصات تصاویر ماهواره WorldView-2
شماره مدل نام تصویر زاویه تصویر برداری فاصله باز تصویر برداری نسبت باز به ارتفاع
1 P005_left 14.6 698.7km 0.907
2 P005_right 32.9 698.7km 0.907
برای دستیابی به تصویری با هندسه اولیه دقیق، هر کدام از این پارامترها باید دارای مقادیر مناسب باشندکه در هنگام سفارش تصویر می توان مقادیر مورد نیاز را بسته به میزان دقت مورد انتظار از شرکت تأمین کننده درخواست نمود.
-4 روش تحقیق
قبل از بررسی مدلهای ریاضی مختلف، حالتهای مختلف نقاط کنترل و نقاط چک در جدول2 آورده شده است.
جدول:2 ترکیبات نقاط کنترل زمینی (GCPs) و نقاط چک (ICPs)
همچنین درهر ارزیابی خطای کمترین مربعات که در، جهات x,y,z محاسبه شده اند، به عنوان معیار ارزیابی مدل مـورد بررسی قرار گرفته است.
1-4 بررسی دقت هندسی تهیه نقشه از تصاویر WorldView-2
تهیه نقشه های توپوگرافی شهری با استفاده از تصاویر ماهواره ای به دو فاکتورمهم وابسته است. اولین عامل، مقیاس نقشه موردنظر وبه دنبال آن دقت ارتفاعی و مسطحاتی نقشه می باشد که بر اساس استانداردهای مصوب کشور، قابل استخراج است. عامل دوم، تصویر ماهواره ای مورد استفاده است که مشخصات فنی آن اعم ازتک تصویرویا زوج تصویر بـودن، انـدازه پیکسـل، تعداد کانالهای طیفی و قدرت تفکیک رادیومتریک است که محتوی اطلاعات را تشکیل می دهند.
1-1-4 نتایج مدلهای تصحیح هندسی چند جمله ای:
در مدلسازی ریاضی انتخاب توابع چند جمله ای از درجه یک تا درجه پنج (حداکثر21جمله) امکان پذیر است. در مدل چندجملهای دو بعدی در اکثر ترکیبات بهترین نتیجه در درجه دوم حاصل گشته است. با مقایسه دقتهای بدست آمده از تصحیح هندسی تصویر به روش توابع چند جمله ای ، بهترین مقادیر خطاها در ترکیب26-22 نقاط کنترل و چک، که باکاهش تعداد نقاط کنترل بهتر شده است، مقداری برابر1.18 پیکسل میباشد.
جدول:3 نتایج توابع چند جمله ای حاصل از تصاویر ماهواره WorldView-2
نوع مدل: توابع چند جمله ای)RMSEواحد: (Pixel Size ترکیب نقاط کنترل و چک
درجه نقاط چک نقاط کنترل
2-1-4 نتایج مدلهای تصحیح هندسی رشنال:
در مدلسازی ریاضی انتخاب توابع رشنال در20ضریب امکان پذیر است.
با مقایسه دقت ضرایب مختلف مدل رشنال، معلوم شد بهترین دقت با ضریب چهارم بدست می آید. درضرایب بالاتر دقتها بتدریج کاهش پیدا می کنند. بهترین دقتها برای نقاط چک در ضریب چهارم بدست آمده است این دقت کمتر از پیکسل که دقت زیر پیکسل، دقت مناسبی است و با ترکیب 14 نقطه کنترلی و 61 نقطه چک.
جدول:4 نتایج توابع رشنال حاصل از تصاویر ماهواره WorldView-2
نوع مدل: توابع چند جمله ای)RMSEواحد: (Pixel Size ترکیب نقاط کنترل و چک
3-1-4 نتایج مدلهای تصحیح هندسی :RPC
جهت بررسی مقادیر دقتهای بدست امده از ترکیبهای مختلف نقاط چک و کنترل برای مدل RPC مانند سایر مدلها مقادیر خطاها بصورت جداولی درآمدند. همانطورکه درجدول7 دیده می شود حتی با بکارگیری یک نقطه کنترل محاسبه مدل برقراربوده و خطای مدل از6 متر به کمتراز 2.7 متر بهبود یافته است. این درحالی است که بقیه مدلهای هندسی بحث شده به تعداد نقاط بیشتری جهت برقراری محاسبه مدل نیاز دارند. بطورکلی دقت نقاط کنترل که درجدول5 آورده شده، درحالت درجه بهبود ضرایب یک دقت نقاط چک بهتراز 0.6 متر بوده است. لذا با استفاده از مدل RPC میتوان با تعداد اندکی نقاط کنترل دقت قابل قبولی بدست آورد.
جدول:5 نتایج توابع RPCحاصل از تصاویر ماهواره WorldView-2
4-1-4 مدلهای تصحیح هندسی :TPS
در این روش کمترین باقیمانده درترکیب اول (44-13) حاصل شده است که مقدارآن برابر 1/4. پیکسل میباشد. یعنی با داشتن 46 نقطه کنترلی با پراکندگی مناسب می توان به دقت زیر دو پیکسل برسیدیم.
5-1-4 مقایسه بین مدلهای ریاضی در این تحقیق
مدلهای تجربی که بر پایه نقاط کنترل زمینی بیشتر مورد استفاده قرارمی گیرند. در این تحقیق از بین این مدلهای تجربی ازجمله چندجمله ای، رشنال، مدل RPC و TPS استفاده شده است. مدلRPC به همراه نقاط کنترل زمینی بهترین نتایج را به ما داده است.
نمودار:1 مقایسه نهایی مدلهای ریاضی در این تحقیق برحسب متر
درمدل چند جمله ای ها بهترین دقت با درجه دوم ودرمدل رشنال با ضریب چهار ودر مدل RPC با ترکیب (11-64) و برای مدل TPS با ترکیب (66-12) بدست آمد. از آنجا که نقاط چک مستقل از مدل عمل می کنند از اینرو قابلیت اعتماد بیشتری دارند. لذا در نمودار مقایسه ای برای نقاط چک مقایسه شده، که مدل RPC با ترکیب (11-64) بهترین دقت را به ما داده است. می توان گفت مدل ریاضی رشنال RPC با بهبود ضرایب درجه یک به دقت 22 سانتیمتر معادل 0.46پیکسل رسیده ایم. که نمودار1 مقایسه نهایی مدلهای ریاضی به کار رفته در این تحقیق نمایش می دهد.
2-4 بررسی مقیاس های بدست آمده از نتایج مدلهای ریاضی تصاویر WorldView-2
ارزیابی هندسی انجام شده بر روی تصویرWorldView-2 با استفاده از سری های مختلف نقاط کنترل و چک با استفاده از توابع مختلف انجام شده است. نتایج مختلف نقاط چک راباتوجه به استاندارد تهیه نقشه معادله (1) و (2) و دقت مسطحاتی
معادله (2) برای مدلهای ریاضی محاسبه شده، درذیل آمده است.
(1) عدد مقیاس نقشه./2 × میلیمترσPl=
(2) فاصله منحنی میزان./2 × میلیمترσe=
(2) σ PL=RMSE(X)2+RMSE(Y)2) 1/2
ارزیابی مقیاس نقشه از نظر عملی در جدول (6) درج شده است.
جدول :6 مقیاس نقشه از نظر عملی برای تصویرWorldView-2
3-4 بررسی تشخیص و استخراج اطلاعات جهت تهیه نقشه و بازنگری از تصاویر WorldView-2
اگرچه تصاویر ماهواره ای WorldView-2 به عنوان نمونه ای، از سیستم های تصویربرداری پوش بروم با قدرت تفکیک بالا از نقطه نظر دقت هندسی می تواند برای استفاده در تهیه نقشه و بازنگری با مقیاس 1:2000 بکار رود،اما عامل چندان مهمی در محدود کردن مقیاس نقشه نیست بلکه محتوای اطلاعات است که مقیاس تهیه نقشه از تصاویر با وضوح بالا را محدود می کند، که این مطلب همان تشخیص عوارض است. یعنی اینکه بایستی تعیین شود چه عوارضی از نقشه با مقیاس خاص در تصویر مورد نظر تا چه حدی قابل رویت و قابل تشخیص است .[8]
4
