استفاده از تصاویر ماهواره‌ای با توان تفکیک مکانی بالا در مثلث‌بندی تصاویر هوایی با هدف کاهش نیاز به نقاط کنترل زمینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فتوگرامتری و سنجش از دور، دانشکده مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران.

2 گروه ژئودزی و مهندسی نقشه‌برداری، دانشگاه تفرش، تفرش.

چکیده

سابقه و هدف: علیرغم توسعه راهکارهای نوظهور در مهندسی فتوگرامتری، تصویربرداری هوایی برپایه الگوهای سنتی فتوگرامتری کماکان بعنوان یک روش جاری در تولید اطلاعات مکانی برای مناطق وسیع شناخته می‌شود. مثلث‌بندی هوایی نیز یکی از مهمترین گام‌های اجرایی در روند آماده‌سازی تصاویر هوایی برای استخراج اطلاعات مکانی محسوب می‌شود. در این روند، سرشکنی دسته اشعه رایج‌ترین روش اجرای مثلث‌بندی هوایی بوده که در آن پارامترهای توجیه خارجی تصاویر از طریق نقاط‌کنترل زمینی، نقاط گرهی و سایر مشاهدات اضافی برآورد می‌شوند. در مهندسی فتوگرامتری، با کاهش نیاز به نقاط کنترل زمینی در فرایند مثلث‌بندی هوایی اهدافی راهبردی همچون دستیابی به زمین‌مرجع‌سازی مستقیم و کاهش هزینه‌های اجرایی دنبال شده است. برای این منظور، استفاده از منابع داده مختلف برای تسهیل در روند مثلث‌بندی هوایی بعنوان یک رویکرد سنتی در مهندسی فتوگرامتری مورد توجه بوده است. تاکنون از مشاهدات سامانه‌های ناوبری، نقشه‌ها، هندسه و قیود حاکم بر عوارض طبیعی و دست‌ساز بشر و همچنین تصاویر قائم در کنار نقاط کنترل زمینی برای این هدف استفاده شده است. در این تحقیق، ایدۀ مشارکت تصاویر ماهواره‌ای با توان تفکیک مکانی بالا و ضرایب توابع کسری پالایش شدۀ آنها در روند مثلث‌بندی تصاویر هوایی مطرح شده است. این اقدام از طریق بکارگیری نقاط گرهی بین تصاویر ماهواره‌ای و تصاویر هوایی دنبال شده است. دقت یکنواخت زمین‌مرجع‌سازی تصاویر ماهواره‌ای انگیزه استفاده از این منابع داده برای جلوگیری از بروز انحرافات سیستماتیک مثلث‌بندی هوایی در محدودۀ توان تفکیک مکانی تصاویر ماهواره‌ای بوده است.

مواد و روش‌ها: در روش پیشنهاد شدۀ این تحقیق، نقاط گرهی بین تصاویر هوایی و ماهواره‌ای بعنوان مشاهدات جدید به مجموعه مشاهدات سرشکنی دسته اشعه اضافه می‌شوند. معادلات ایجاد شده برای نقاط گرهی مشاهده شده در تصاویر ماهواره‌ای از طریق ضرایب توابع کسری این تصاویر تامین می‌گردند. قبل از بکارگیری ضرایب توابع کسری اولیه، فرایند آماده‌سازی آنها شامل پالایش و تبدیل سیستم‌های مختصات زمینی به اجرا می‌رسد. در روند سرشکنی دسته اشعه ضرایب توابع کسری پالایش شده بعنوان مقادیر ثابت حضور داشته و صرفاً در برآورد پارامترهای توجیه خارجی تصاویر هوایی و تخمین مختصات نقاط گرهی ایفای نقش می‌کنند. افزودن معادلات مربوط به نقاط اندازه‌گیری شده در تصاویر ماهواره‌ای به دلیل تفاوت توان تفکیک مکانی تصاویر هوایی و ماهوره‌ای موجب ایجاد تمایز با دقت سایر مشاهدات سرشکنی دسته اشعه شده که تنظیم آن در روش پیشنهادی از طریق یکی از روش‌های تخمین مولفه‌های واریانس با نام روش اعداد آزادی صورت پذیرفته است. داده‌های مورد استفاده به‌منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی شامل یک بلوک تصاویر هوایی مربوط به دوربین UltraCamD و یک تصویر ماهواره‌ای WorldView II هر دو مربوط به شهر تهران بوده است. ضرایب توابع کسری پالایش شده مربوط به تصویر ماهواره‌ای از طریق اعمال پارامترهای اضافی به فضای تصویر در دسترس بوده و نقاط گرهی مورد نیاز بین تصاویر هوایی و ماهواره به‌صورت دستی و به کمک عامل خبره اندازه‌گیری شده‌اند.

نتایج و بحث: نتایج این تحقیق در سه سناریوی مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بکارگیری این روش حاکی از موفقیت آن در کاهش نیاز به نقاط کنترل زمینی در مثلث‌بندی هوایی و جلوگیری از بروز مشکلات آن در زمینه نقص در تعریف سیستم‌مختصات زمینی بوده است. استفاده از این راهکار، حتی با یک نقطۀ کنترل زمینی دقت‌های قابل رقابتی را در مقایسه با زمان بکارگیری نقاط کنترلی متعدد برای سرشکنی دسته اشعه کسب نموده است. با اینحال، در صورت وجود تعداد مناسبی از نقاط کنترل در سرشکنی دسته اشعه، این راهکار اثرات محسوسی در نتایج مثلث‌بندی هوایی نخواهد داشت.

نتیجه‌گیری: بکارگیری تصاویر ماهواره‌ای با توان تفکیک مکانی بالا و ضرایب توابع کسری آنها مطابق با الگوی تشریح شده در این تحقیق می‌تواند به‌عنوان یک منبع اطلاعاتی، نیاز به نقاط کنترل زمینی در روند مثلث‌بندی هوایی را کاهش دهد. با اینحال بررسی تاثیر تغییر در نسبت توان تفکیک مکانی تصاویر ماهواره‌ای و هوایی در نتایج و همچنین استفاده از تصاویر ماهواره‌ای استریو می‌تواند در تحقیقات آتی قابلیت‌های دیگر این روش‌ را روشن‌تر سازد.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Using High Resolution Satellite Images in the Bundle Adjustment of Aerial Images' Block to Reduce the Necessity of Ground Control Points

نویسندگان [English]

  • Fateme Primardy 1
  • Mohammad Javad Valadan Zoej 1
  • Alireza Safdarinezhad 2
1 Department of Photogrammetry and Remote Sensing, Faculty of Surveying Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran Iran.
2 Department of Geodesy and Surveying Engineering, Tafresh University, Tafresh, 39518-79611, Iran.
چکیده [English]

Introduction: Despite the emerging developed methods in photogrammetric engineering, aerial photogrammetry based on its traditional instructions is still known as a conventional method for generating spatial information over large regions. Aerial triangulation is a crucial step in preparing aerial images for extracting spatial information. Bundle adjustment is the most common method of performing aerial triangulation, in which exterior orientation parameters of images are estimated through Ground Control Points (GCPs), tie points, and other auxiliary observations. In photogrammetric engineering, by reducing the necessity for ground control points in the aerial triangulation process, strategic goals such as achieving direct georeferencing and reducing operational costs have been pursued. Integrating various spatial data sources to facilitate the aerial triangulation process is known as a traditional approach in photogrammetric engineering. So far, the contribution of navigation data, maps, geometrical constraints of manmade and natural features, and ortho-images alongside GCPs has been used for this purpose. In this research, the idea of using High Resolution Satellite Images (HRSI) along with their refined Rational Polynomial Coefficients (RPCs) to participate in aerial triangulation has been proposed. This was done using tie points measured between HRSI and aerial images. The uniformity in georeferencing accuracy of HRSIs has been the motivation for using such data sources to prevent systematic deviations in aerial triangulation within the spatial resolution of satellite images.

Materials and Methods: The proposed method introduces tie points between aerial and satellite images as new observations in the bundle adjustment. The rational functions associated with the HRSI produce the condition equations for these tie points. Before using the initial RPCs published along with HRSI, their preparation process, including geometric refinement and changing their ground coordinate systems, is performed. In the bundle adjustment process, the coefficients of the refined rational functions are held constant; their role is limited to helping in estimating the exterior orientation parameters of the aerial images and the 3D coordinates of tie points. The precision difference arising from the spatial resolution disparity between aerial and satellite imagery is addressed by tuning the stochastic model using variance component estimation. The method was evaluated using a block of aerial images captured by an UltraCamD camera and a WorldView II satellite image, both of which covered a part of Tehran city. The indirectly refined RPCs of WorldView II were utilized, and the required tie points between the aerial and satellite images were measured manually by an expert.

Results and Discussion: The results of this research were evaluated in three different scenarios. The results demonstrated the success of the proposed method in reducing the necessity for GCPs in aerial triangulation and preventing to face of its problems of deficiencies in the definition of the ground coordinate system. Using this method, even with a single GCP, has achieved competitive accuracies compared to using multiple control points in bundle adjustment. However, if there is an appropriate number of control points in the bundle adjustment, this solution will not have a noticeable effect on the aerial triangulation results.

Conclusion: Integrating HRSIs and their refined RPCs, as described, effectively reduces the dependency on GCPs in the aerial triangulation process. Future research should investigate the effect of the spatial resolution ratio of satellite and aerial images on the results, as well as the potential of using stereo satellite images to enhance the capabilities of this method further.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bundle Adjustment
  • Rational Polynomial Coefficients (RPCs)
  • Satellite Images
  • Aerial Triangulation
  • RPCs refinement
  • Tie points