Viernes, 18 Abril 2014
Imagen en reemplazo de flash
Manipulación de Imágenes de Alta Resolución Espacial en Z/I ImageStation PDF Imprimir E-mail

Las imágenes de alta resolución están llegando a ser cada vez más importantes mientras que su resolución y disponibilidad mejoran. Las imágenes que tienen un tamaño de píxel en tierra de 0.6 ó 1 metro compiten con las fotografías aéreas clásicas. Las imágenes espaciales cubren grandes áreas, reduciendo el número de puntos de control necesarios. Si los coeficientes polinómicos racionales (RPC) están disponibles, el número de puntos de control pueden ser incluso a futuro reducidos. Usando RPCs, es posible mapear sin puntos de control si solamente se requiere la exactitud relativa, y si una exactitud absoluta en un rango de una desviación estándar de ±12 m es aceptable.

Modelos estereos e imágenes individuales tomadas por IKONOS, QuickBird y SPOT 5 se han analizado, así como IRS-1C nivel 1B y imágenes Landsat. La exactitud alcanzada es suficiente para mapear y generar ortotofos. Los modelos digitales de superficie (DSM) son generados suavizando la imagen, demostrando la altura de superficie visible. DSMs se pueden reducir a modelos digitales de elevación (DEM), la cuál se puede utilizar para producir ortofotos. No es necesario utilizar el mismo sensor para alcanzar el DEM, también es posible computar una ortofoto IKONOS basada en un DEM de SPOT 5.

1. Introducción

Con un tamaño de píxel en tierra de 0.6m para QuickBird y 1m para imágenes IKONOS, ahora hay competencia directa entre imágenes de alta resolución y fotos aéreas de escalas 1:50,000 a 1:80,000. Las imágenes QuickBird tienen un ancho de 16.5 km. esto se puede alcanzar solamente con fotografías aéreas escala 1:80,000 a una altura de vuelo de 12.2 km, con direcciones de visión no optimas para la generación de ortofotos. Además, las imágenes digitales no son influenciadas por la particular del film, dando por resultado una mejor calidad radiométrica. En un futuro próximo, varios sistemas ópticos de alta resolución serán puestos en funcionamiento, dando por resultado mejores resoluciones, disponibilidad, variedad, y costos de las imágenes. Esto causará un permanente crecimiento en el uso de las imagines espaciales.

2. ImageStation Digital Mensuration (ISDM) Satellite Triangulation

ISDM Satellite Triangulation es muy flexible, extensión modular del producto Z/I Imaging ISDM. Realiza el ajuste analítico del bloque de imagines satelitales usando fundamentalmente, técnicas fotogramétricas establecidas. En la base esta un motor de ajuste de bloque que realiza unificación, carga, ajustes simultáneos de coordenadas terrestres y de los parámetros de imágen. Esta base se junta con los módulos de ejecución matemática para varios sensores remotos. Esto permite que el soporte para nuevos sensores remotos satelitales sea desarrollado con relativa facilidad.

El ajuste de bloque es flexible. Variaciones acomodadas en el número y alcance de los parámetros ajustables asociados a imágenes satelitales. Estos parámetros pueden ser 12 bien conocidos en la orientación (posición satelital, velocidad del satélite, altitud satelital diagonal, y altitud satelital del radio diagonal), o otro número, dependiendo de cuando es necesario soportar un tipo sensor remoto en particular. Los parámetros se pueden asociar a todas las imágenes satelitales en particular, con todas las imágenes en una sola escena de datos, o con imágenes individuales. Tabla 1 enumera y alcance de los parámetros para los sensores remotos actualmente puestos en marcha.

El modelo matemático usado para un sensor remoto en particular se pone en ejecución en Microsoft Common Object Model (COM)-módulo basado en códigos. Un modulo de sensore remoto calcula proyecciones de la imagen en tierra, proyecciones de la tierra en imagen, y parámetros parciales derivados para uso en el motor de ajuste de bloques. Encapsulando el modelo matemático en módulos COM, ISDM Satellite Triangulation se adapta fácilmente al trabajo con diversos modelos. Los módulos se realizaron por Z/I Imaging para usarlos en imágenes Landsat, SPOT, IRS, y QuickBird poniendo en ejecución los modelos matemáticos basados en colinearidad. El modulo se ejecuto para imágenes IKONOS ingresando un modelo de ejecución matemático en las funciones polinómicas racionales modificadas por una transformación de afinación usando puntos de control (Grodecki, J., 2001 and Fraser, et al, 2001).

2.1 Funciones Racionales

Mientras que la triangulación satelital se puede realizar usando una variedad de modelos matemáticos, las funciones racionales polinómicas de tercer-orden se utilizan como modelo matemático independiente del sensor con imagenes satelitales dentro de la gama de productos Z/I Imaging (Madani, 1999). Estas funciones racionales polinómicas tienen la siguiente forma:

donde r y c son la fila y la columna de un punto de la imagen, X, Y, Z son coordenadas de un punto del objeto, y p1, p2, q1, q2 son los polinómios de tercer orden en X, Y, y Z. Estos polinómios tienen 20 términos cada uno.

Fijando coeficientes seleccionados en cero, el poder de las funciones racionales puede variar para cada dimensión así como para el numerador y el denominador. De hecho, fijando todos los conocimientos no constantes del denominador a cero, las funciones racionales se pueden reducir a las funciones polinómicas.

No es poco común encontrar sistemas de coordenadas con valores extremadamente grandes. Sí, además de grandes coordenadas, se emplea un polinómio relativamente de categoría alta, la inestabilidad puede ocurrir. Para evitar tales problemas, se ha puesto en marcha un esquema de normalización. Cada variable de coordenada de un punto del objeto se normaliza en una gama de -1 a 1 antes de que se utilicen en las funciones polinómicas racionales. Los rangos de las funciones racionales polinómicas están de -1 a 1, así que los valores finales de fila y columna es obtenido "de-normalizado" los resultados.

Se realizan los cálculos de Imagen a tierra usando un modulo de sensor remoto para poblar una grilla regular que capture mapas entre las coordenadas de imagen y coordenadas de tierra en diversas elevaciones del terreno. Esta grilla entonces se utilice para producir RPCs que aproxima el mapeo de las coordenadas de tierra a las coordenadas de imagen. RPCs inicial se produce para cada imagen mientras que su fotografía se crea dentro de ImageStation Project Manager (ISPM) o ISDM. Después de que la triangulación se haya realizado en una o más imágenes, nuevos RPCs se producen para las imágenes usando los valores ajustados de los parámetros basados en imágenes satelitales. El inicial o ajuste RPCs es utilizado pos ISDM y otras aplicaciones cuando los puntos se miden en las imágenes, creando visiones estereo, etc.

3. Flujo de Trabajo ISDM Satellite
3.1 Iniciando un Proyecto
Tipo Sensor Remoto
Parámetros
Alcance de los parámetros de orientación
SPOT 1-5 Nivel 1A
Multiespectral (ms),
Pancromatica (pan),
& Supermodo pan
12 Parámetros EO Satelital:
Posición X, Y, Z
Velocidad Vx, Vy, Vz
Altitud Diagonal O, F, ?
Altitud Radio Diagonal V?, Vf, V?
Escena compuesta por todas las imágenes en un solo paso de órbita
QuickBird Basic Imagery, pan & ms
12 Parámetros EO Satelital
Escena
IRS-1C & 1D Nivel 1A pan
12 Parámetros EO Satelital
Escena
Landsat TM ms
Landsat7 ETM+ ms & pan
12 Parámetros EO Satelital
Imagen
IKONOS (CARTERRA Geo) pan & ms
6 Parámetros Afines:
Línea diagonal, deriva, escala
Ejemplo diagonal, deriva, escala
Imagen

El flujo de trabajo general de ISDM Satellite Triangulation comienza con la creación de un proyecto nuevo. Cuando el comando New Project se ejecuta en ISPM o ISDM, El wizard del "New Project" inicia el proceso de creación dle proyecto. Si el usuario selecciona un tipo de proyecto de "Satellite Imagery", el proyecto se configura para usarlo para ajuste de bloque de triangulación satelital y los módulos para sensores remotos registrados actualmente. Es importante observar que los proyectos de sensores remotos están configurados actualmente para utilizar un sistema de coordenadas geográfico WGS84 con un datum vertical horizontal, y todas las funciones se realizarán dentro de esa base del sistema de coordenadas. Una vez que se haya creado el proyecto, se utilice el comando Edit Photos para crear fotos de imágenes satelitales y de sus archivos asociados a los datos de soporte (Figura 1). Se han procesado estas imagines usando Z/I Imaging Image Translators y Raster Utilities para preparer el uso en las aplicaciones ImageStation. Como se crea cada foto, se asocial a un tipo de sensor remoto en particular, y initial RPCs se calcula y almacena en el archive photo del proyecto. Los archivos de información de soporte para cada imagen se copian de sus localizaciones originales a un subdirectorio dentro del directorio del proyecto. Un archive grid inicial también se produce y almacena con los archivos de información de soporte. Un archive de function racional bitmap también se asocial a una foto cuando se crea. Este archive bitmap especifica que términos en las funciones racionales polinómicas serán utilizadas, y que las partes correspondientes RPCs serán calculadas por el software al trabajar con la foto.

El paso final en la inicialización del proyecto es la recolección de puntos de control y verificación de los mismos. Las coordenadas de puntos de control se almacenan dentro del proyecto como triples longitud-latitud-elevación. La longitud y latitud se representan en grados/minutos/segundos en un formato cuasi-decimal (dd.mmssssss), y la elevación se representa en metros. Los puntos de control se pueden incorporar manualmente usando el comando Edit Control Points, o pueden ser importados de archivos en una variedad de formatos. Al importar, es posible especificar un sistema de coordenadas y/o las unidades para los puntos entrantes que sea diferente del proyecto. En este caso, los puntos serán convertidos al sistema y unidades elipsoidales del proyecto WGS84 pues se importan.

Es posible también capturar puntos usando las fotos del mapa. Las fotos del mapa son ortofotos o mapas topográficos escaneados y georreferenciados. Si las fotos del mapa se crean dentro del proyecto, pueden er utilizados para obtener coordenadas del punto de contol, con o sin el uso de modelos digitales de elevación (DEMs). Las coordenadas de puntos control se convierten automáticamente del sistema coordenado de la foto del mapa a la del proyecto.

3.2 Mediciones y Triangulación

Después de que se haya iniciado el proyecto, se utiliza el comando Multiphoto para medir puntos de control, chequearlos, y puntos tie en las fotos del proyecto (Figura 2). El commando Multiphoto permite que el usuario visualice multiples imagenes simultáneamente, y para visualizar vistas estereas de regions traslapadas. Los puntos de control y los puntos chequeados se visualizan en las localizaciones predichas para ellas en la foto RPCs. El usuario mide las localizaciones reales de los puntos de control y puntos chequeados dentro de las imágenes, y las mediciones de puntos tie marcando la ubicación de un punto en tierra en múltiples imágenes.


Figura 1: Edit Photos Dialog

Una vez controlado, chequeado, y medido los puntos tie, el comando Satellite Triangulation se puede utilizar para realizar triangulaciones en las fotos, solo en bloques (Figura 3). Según lo mencionado en la sección anterior, el motor de ajuste de bloques conjuntamente con los modulos de sensores remotos se utiliza para realizar el ajuste de la foto o el bloque seleccionado de fotos. El diálogo Satellite Triangulation visualiza una variedad de estadísticas sobre el ajuste, así como las listas detalladas de los residuales para la foto y los puntos en tierra. Si el usuario no está satisfecho con los resultados, los puntos se pueden retener o eliminar en las fotos o en tierra, y el ajuste puede ser repetido. Si el usuario decide aceptar los resultados, la nueva foto RPCs sera calculada para todas las fotos en el bloque. El usuario también puede salir del cuadro de diálogo de Satellite Triangulation sin aceptar los resultados o la foto nueva calculada por RPCs. Usando los comandos Multiphoto y Satellite Triangulation, el usuario puede retener, eliminar, re-medir, o agregar puntos segun lo necesitado hasta que se obtienen los resultados satisfactorios.

4. Experiencias


Figura 2: Multiphoto Dialog


Figura 3: Satellite Triangulation Dialog

Las imágenes solas o los modelos estereos se pueden orientar sin problemas. La información de la orientación Satelital ha alcanzado un alto nivel de exactitud, pero en la mayoría de los casos todavia debe ser mejorado con el uso de los puntos de control en tierra. La orientación de las escenas de CARTERRA Geo (IKONOS) utilizan RPCs distribuidos por Space Imaging y mejora sobre ellas por una transformación affine aplicada a las coordenadas de la imagen de los puntos de control. El número de desconocimiento de la transformación puede ser cambiado, es tan posible reducir la transformación a un cambio en X e Y.

En varios casos un cambio simple es totalmente suficiente (ver Büyüksalih et al 2004), en teoría apenas un punto de control sería suficiente. Por supuesto, el overdetermination del sistema se requiere para producir resultados confiables. Una ventaja de la triangulación satelital es la combinación de varias imágenes. Los bloques de imagines satelitales se pueden manejar semejantemente a las fotos aéreas. En Madani 1999 la dirección de un bloque de 12 escenas SPOT se describe detalladamente. Usando puntos tie, el número de los puntos de control en tierra pueden ser reducidos.

La dirección interna de las imágenes por medio de funciones racionales polinómicas hace absolutamente fácil el manejo de imágenes con relaciones geométricas especiales. Solamente el modelo matemático para la orientación tiene que ser cambiado. El uso de funciones racionales polinómicas durante la dirección del modelo no da lugar a ninguna pérdida de exactitud comparada al uso de un modelo matemático riguroso.

5. Modelos Digitales de Elevación




Figura 4:
Arriba - DSM determinado por matching de imágenes IKONOS
Abajo - DSM filtrado a DEM

Un modelo digital de elevación de superficie visible, conocido como Modelo Superficial Digital (DSM), puede ser generado a partir de imágenes satelitales con el uso de matching automáticos de la imagen. Sin embargo, un modelo digital de elevación de tierra descubierta, o DEM, es que se solicita generalmente. En algunos casos y dependiendo de los usos y requisitos de exactitud, una reducción manual de un DSM a un DEM es demasiado consumidora de tiempo, pero este paso se puede hacer también automáticamente por filtración cualificada (Jacobsen 2001). Una secuencia de pruebas geométricas se puede utilizar para detectar y eliminar los puntos situados sobre la superficie de tierra descubierta. Se clasifica el modelo como plano, intermedio o montañoso y los límites de tolerancia requeridos son determinados por análisis d datos (Figura 4).

Al hacer matching automático de imágenes de alta resolución es importante tener imágenes capturadas bajo condiciones similares - elevación del sol similar y condiciones atmosféricas, y ningún cambio del objeto. Esto se alcanza de mejor manera utilizando imágenes adquiridas en una sola orbita. Si este no es el caso, los problemas con matching automático de la imagen no pueden ser evitados, y el matching puede fallar completamente. El DSM mostrado en la figura 5 se basa en sensores remotos IKONOS adquiridos con 12 segundos de diferencia. La mayor parte de los puntos se han correlacionado con un coeficiente que excedía de 0.95. Por otra parte, el matching de un par de imágenes IKONOS fue adquirida con diferencia de 3 meses con un cambio de elevación del sol de 67° a 42° y fue erróneo casi completamente. Algunos resultados modestamente exactos fueron obtenidos en áreas urbanizadas. Un intervalo de tiempo tan corto como 12 segundos no es necesario, dos imágenes QuickBird obtenidas con 10 días de intervalo produjeron buenos resultados.

6. Conclusiones

El mapeo con imágenes de alta resolución esta llegando a ser cada vez más importante. Para varias aplicaciones directas entre antena y espacio de imágenes, y la opción de cual es el producto a utilizar es puramente económico. La triangulación satelital se integra en la suite de aplicaciones Z/I ImageStation, permitiendo imágenes o bloques individuales que se rectificarán. Procesando bloques, el número de puntos de control puede ser reducido y los delineamientos entre imágenes vecinas serán evitados.

Referencias

Büyüksalih, G., Oruc, M., Jacobsen, K., 2004. Precise Georeferencing of Rectified High Resolution Space Images, ISPRS Congress, Istanbul 2004
Dowman, I., Dolloff, J.T., 2000. An Evaluation of Rational Functions for Photogrammetric Restitution, ISPRS Amsterdam 2000, IAPRS, VOL XXXIII
Fraser, C.S., Hanley, H.B. and T. Yamakawa, 2001. Sub-metre geopositioning with Ikonos GEO imagery. Proc. Joint ISPRS Workshop "High Resolution Mapping from Space 2001", Hanover, 19-21 September, 8p. (on Disco Compacto)
Grodecki, J., 2001. Ikonos stereo feature extraction - RPC approach. Proc. ASPRS Annual Conference, St. Louis, 23-27 April, 7 p. (on Disco Compacto)
Jacobsen, K. 2001. New Developments in Digital Elevation Modeling. Geoinformatics, June 2001, pp 18 - 21
Madani, M, 1999. Direct Versus Indirect Methods of Sensor Orientation, workshop of ISPRS Commission III, Barcelona, November 25-26, 1999, (on Disco Compacto)

Fuente:

M. Madani (Z/I Imaging Corporation), J. Biard (Z/I Imaging Corporation), Esta dirección electrónica esta protegida contra spam bots. Necesita activar JavaScript para visualizarla (University Hanover, Germany)

 

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