Почему ортокоррекция важна для реального картографирования местности и как её применять

Представьте себе ситуацию, когда вы сделали фотографию стоя немного под углом. Все объекты на снимке окажутся слегка наклонёнными и не совсем такими, какими выглядят в реальности. Представьте теперь, что ортокоррекция — это аналогичное действие, направленное на выпрямление фотографии.
В области геопространственного анализа ортокоррекция гарантирует точное представление всех элементов местности. Подобно тому, как вы можете выровнять вашу фотографию, ортокоррекция устраняет искажения таким образом, чтобы каждая точка на изображении точно соответствовала своему местоположению в реальной действительности.
В этой статье мы подробнее рассмотрим причины, почему ортокоррекция играет ключевую роль в реальном картографировании местности: что именно она собой представляет, зачем она необходима и каким образом её можно применить?

Что такое ортокоррекция?

Ортокоррекция — это ключевой этап в процессе создания точных карт поверхности нашей планеты.

Она предназначена для устранения искажений в спутниковых и аэрофотоснимках, возникающих вследствие множества факторов, включая угол наклона камеры (наклон датчика), различия в высоте рельефа и и кривизна Земли.

Ортокоррекция действует подобно цифровому инструменту для выравнивания — она корректирует изображение таким образом, чтобы всё было правильно расположено, словно снимок сделан непосредственно сверху (надир).

Откуда берутся искажения на изображениях?

Все дистанционно полученные изображения Земли содержат определённый уровень геометрических искажений. Они являются неотъемлемой частью геометрии наблюдения, определяемой конструкцией наблюдаемого объекта и наблюдательного устройства.

Обычно искажения возникают по следующим причинам:

- Наблюдательное устройство («наблюдатель») — например, наклон датчика, движение платформы и др.
- Объект наблюдения («наблюдаемый объект») — например, поверхность Земли, вращение Земли, атмосфера и др.

В целом, заметнее выраженные искажения наблюдаются на аэрофотоснимках по сравнению со спутниковыми платформами, которые работают с относительно стабильных орбит и больших высот. В любом случае, важно устранить или уменьшить искажения изображения перед использованием изображений для проведения измерений, создания карт или извлечения информации.

Ортокоррекция изображения — это достаточно строгое математическое преобразование оригинального изображения в ортогональную проекцию, включающее полное устранение искажений. Ортогональные проекции предоставляют нам возможность создавать ортофотоснимки, ортофотомапы, ортофотопланшеты и другие ортокорректированные изображения и продукты.

Для достижения этого, ортокоррекция использует следующие вводные данные:

- Цифровые модели рельефа (DEM): представляют собой описание высот местности, помогающие скорректировать вариации по высоте.
- Рациональные полиномиальные коэффициенты (RPC): математические модели, описывающие связь пикселей изображения с географическими координатами, руководящие процессом корректировки изображения.
- Контрольные точки на местности (GCP): известные наземные точки с точными координатами, улучшающие точность процесса коррекции.

Кроме вышеперечисленного, важно иметь понимание существующих искажений на изображениях. Понимание таких искажений, как наклон датчика, когда камера направлена не вертикально вниз, и вариаций высот, таких как горы или долины, помогает осознать, какие элементы могут быть смещены или неверно представлены.

Этапы ортокоррекции
 
Теперь давайте пройдём пошагово процедуру ортокоррекции:

- Сбор необходимых данных
Начните с сбора всей необходимой информации, включая ваши исходные данные, необработанные спутниковые или аэрофотоснимки, файлы RPC, цифровую модель рельефа (DEM) и любые доступные контрольные точки на местности (GCP). Организация всего материала сделает процесс более плавным.

-  Выбор программного обеспечения
Выберите программное обеспечение ГИС, поддерживающее процедуры ортокоррекции. Популярные варианты включают ArcGIS или специализированные инструменты вроде ERDAS Imagine. У каждого инструмента есть свои сильные стороны, поэтому выберите тот, который соответствует потребностям вашего проекта.

-  Загрузка данных
Загрузите ваше необработанное изображение в программу вместе с файлом RPC и моделью рельефа. Этот шаг включает настройку всего необходимого для начала процесса коррекции.

-  Применение алгоритма ортокоррекции
Вот самое интересное! Применяйте алгоритмы ортокоррекции:

* Для базовой коррекции: если вы работаете только с файлами RPC и цифровой моделью рельефа, начните с использования этих инструментов для настройки вашего изображения.
* Для повышения точности: если у вас имеются контрольные точки на местности (GCP), используйте их в процессе коррекции. Это значительно повысит точность конечного продукта.

-  Проверка результатов
После того, как вы применили коррекцию, крайне важно проверить результаты. Сравните откорректированное изображение с известными эталонными изображениями или наборами данных, чтобы убедиться в точности. Этот шаг помогает выявить возможные ошибки ещё до перехода к следующему этапу.

-  Экспорт откорректированного изображения
Наконец, убедившись в правильности поправок и проверке результатов, сохраните своё откорректированное изображение для последующего использования в картографировании или анализе. Теперь это изображение готово для интеграции в ГИС-приложения или распространения среди заинтересованных сторон.

Что такое реальные карты местности?
 
Карты местности — это графические представления поверхности Земли. Они отображают физические характеристики территории и используют линии уровня для иллюстрации изменений высоты и очертания форм и характеристик суши.

От холмов и долин до водоёмов и лесов, карты местности сосредоточены на форме и высоте ландшафта. Богатство информации, содержащейся в картах местности, означает, что они полезны для навигации, городского планирования, строительства инфраструктуры, землепользования и многого другого.

Как ортокоррекция помогает созданию реальных карт местности?

Как мы теперь знаем, ортокоррекция спутниковых и аэрофотоснимков способствует формированию более точной картины поверхности Земли. Это важный шаг на пути создания надёжных карт и осуществления точных измерений.

Вот как ортокоррекция способствует этому процессу:

- Исправление искажений: это критично для создания надежных карт, где такие объекты, как дороги, здания, крыши и природные ландшафты, расположены правильно.
- Однородный масштаб: одно из ключевых преимуществ ортокоррекции заключается в обеспечении постоянного масштаба по всему изображению. Это значит, что расстояния можно измерять точно, без необходимости выездных проверок. Например, при помощи точного замера городских планировщики могут оценить землю для развития, полагаясь на точные измерения с ортокорректированных изображений.
- Интеграция с ГИС: эта интеграция позволяет объединять разные типы данных, такие как данные землепользования или экологическую информацию, обеспечивая более комплексный анализ и создание карт местности.
- Улучшенная визуализация: ортокорректированные изображения служат эффективными фоновыми слоями в приложениях ГИС, предоставляя ясный визуальный контекст для результатов анализа. Такая чёткость помогает пользователям интерпретировать сложную пространственную информацию легче, делая этот инструмент ценным для процессов принятия решений в областях мониторинга окружающей среды и управления чрезвычайными ситуациями.
- Актуальность данных для быстрого реагирования: в ситуациях, таких как стихийные бедствия, наличие актуальной ортокорректированной съёмки позволяет службам экстренного реагирования быстро и эффективно оценивать ущерб.
- Точность в мониторинге окружающей среды: ортокорректированные изображения незаменимы для отслеживания изменений покрова земли, вырубки леса и других экологических явлений с высокой точностью.

В общем, ортокоррекция не только улучшает визуальную четкость, но и гарантирует, что измерения, выполненные на основании этих изображений, точны и полезны для различных практических приложений.

Где применяется ортокоррекция?

Примеры использования: применение ортокорректированных изображений

Ортокорректированная съёмка имеет невероятно широкий спектр применения — от точного земледелия и городского планирования до реагирования на катастрофы и экологического мониторинга. Её универсальная природа делает её полезным ресурсом в разных отраслях.

Ниже приведены некоторые визуализации, иллюстрирующие эффект до и после ортокоррекции. Вы можете увидеть разницу, которую она приносит при применении в случаях контроля судоходства, береговой линии, строительных площадок и дорожного движения.

До и после изображений: обычные ортоснимки против истинно ортокорректированных

Ортокоррекция в городской среде исправляет искажения, гарантируя правильное расположение зданий, крыш и других объектов в их настоящих географических позициях. На примере ниже видно, что после ортокоррекции крыши зданий располагаются верно. Пример взят из центра города Жоры в Польше.

Картирование земельных участков и расположенных на них объектов гарантирует точное отражение границ собственности, строений и инфраструктуры в их действительных положениях на поверхности Земли. Эта точность позволяет проводить надежные измерения с точностью до сантиметров и пространственный анализ компонентов участка, таких как фундаменты зданий, растительность и инженерные коммуникации, без искажений или смещения.

В данном примере мы рассмотрели крепость Ясна-Гура в Ченстохове, Польша. Когда речь идет о картировании высоких башен и крепостей, как в данном случае, ортокоррекция гарантирует, что эти высокие и сложные сооружения точно позиционированы на карте без искажений, вызванных высотой или углом наклона датчика.

При картировании промышленных трубопроводов и дымовых труб ортокоррекция гарантирует точное положение этих высоких линейных сооружений относительно земли, устраняя любые искажения, вызванные их высотой или углом захвата изображения. В данном случае важно обеспечить точную проекцию положения инженерных сооружений.

Подводя итог, ортокоррекция устраняет геометрические искажения датчиков/спутников и рельеф, чтобы получить изображения, подходящие для карты. Корректируя искажения, мы обеспечиваем равномерный масштаб. Это облегчает интеграцию ГИС и обеспечивает улучшенную визуализацию.
Ортокоррекция играет ключевую роль в эффективном картографировании реальных ландшафтов в различных отрослях — от градостроительства до экологического мониторинга и реагирования на чрезвычайные ситуации.