استفاده از سیستم تصویر برداری IKONOS جهت تهیه نقشه های بزرگ مقیاس

دسته دورسنجی و GIS
گروه سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور
مکان برگزاری بیست و یکمین گردهمائی علوم زمین
نویسنده مهندس رضا میرزاخانی
تاريخ برگزاری ۲۸ آبان ۱۳۸۴

چکیده:
این مقاله در برگیرنده استفاده تصویر مونو از نوع Pan ماهواره IKONOS براى تهیه نقشه هاى بزرگ مقیاس با استفاده مدلهاى ریاضى دوبعدى چند جمله ایها و مدل رشنال (Rational) مى باشد. بعد از مرورى بر مزیت ماهواره هاى با قدرت تفکیک مکانى بالا و بررسى مدلهاى ریاضى بکار گرفته شده جهت تصحیح هندسى اینگونه تصاویر، دقت هندسى آنها بررسى خواهد شد.
 
 Abstract
Over the last few years, there has been a noticeable trend for suppliers of image processing systems for use remote sensing imagery to become involved with digital photogrammertry. In particular given their interest, expertise and experience in handling remotely sensed imagery.
    In this paper the main item acquisition in IKONOS pan mono with a ۱ m pixel size and  the of  area covered by ۷۵۲۵*۹۲۵۲ pixels .This is a good image quality , being free from the dust and haze which spoil  many of the satellite images of area.
     Polynomial and rational mathematical models use to geometric correction.  Digital elevation model (DEM) uses to rational model was generated  from ۳D data acquired
from National  Cartographic  Center (N.C.C) of Iran. The accuracy of these data is ۱/۲۵۰۰۰ .The ground control point (GCPs) for geometric correction by differential method carried out using two of the latest Sercel dual frequencies geodetic quality sets. The planimetric and height accuracies in terms of the RMSE values for each of the GCOs are better than ۱ cm .
    Finally we can generated jmage map by use of polynomial model with the ۱/۵۲۷۶
Scale and by using rational model with the ۱/۳۲۰۱ scale

- پیشگفتار :
دسترسی آسان و نسبتاً ارزان به تصاویر فضایی و گوناگونی آنها از نظر قدرت تفکیک و ابعاد زمینی طیف وسیعی از داده های فضایی را در اختیار کاربران قرار می دهد تا از این منابع در جهت تهیه انواع نقشه ها استفاده شود. بالطبع مدلهای ریاضی و استراتژیهای جدیدی برای پردازش این اطلاعات لازم خواهد بود و روشهای فتوگرامتری مرسوم جوابگو نمی باشد بهمین دلیل در کنار مباحث جدید فتوگرامتری، مبحثی به نام فتوگرامتری فضایی پایه ریزی شد و هم اکنون جمع زیادی از دانشمندان این رشته سرگرم تحقیق و پژوهش در این باب هستند.
نقشه های عکسی، تصاویری هستند که تصمیمات هندسی روی آن انجام گردیده و کلیه اطلاعات نقشه اعم از اطلاعات موضوعی و موقعیت و ارتفاع بر روی آن منطبق شده باشد. نقشه تصویری نمایش تصویر مانندی است از چگونگی توزیع داده های کارتوگرافیک متعارف و داده های تصویری این ترکیب می تواند از طریق مفاهیم محتوایی یا از طریق مفاهیم طراحی کارتوگرافی حاصل شود.
 
 
ویژگیهای نقشه های تصویری
 
در نقشه تصویری از خود تصویر بطور کامل استفاده می گردد و از تمامی عوارض توپوگرافی موجود در تصویر در نقشه تصویری وجود دارد.
امکان خودکار کردن قسمتی از مراحل مختلف تهیه نقشه تصویری وجود دارد.
سرعت تهیه نقشه های تصویری در برابر تهیه نقشه های خطی بسیار بیشتر و هزینه آن کمتر است.
بزرگترین و شاید مهمترین مزیت استفاده از تصاویر ماهواره أی در تهیه نقشه عکسی، قابل دسترس بودن اطلاعات اولیه می باشد. چرا که در تهیه نقشه به روش معمول ، دسترسی به این اطلاعات مستلزم گذر از مرحله پر خرج و وقت گیر پرواز و عکس برداری است.
اطلاعات نهایی تهیه شده سازگار با سیستمهای اطلاعات جغرافیایی (GIS) می باشد.
 
2- سیستمهای تصویر برداری با قدرت تفکیک مکانی بالا  (High Resolution Satellites
 Imagery (HRSI))
 
سنجنده ها براساس قدرت تفکیک مکانی به صورت زیر دسته بندی می شوند ]    [:
- خیلی کم                                 m≤ 300
- کم                                m 300-30
- متوسط                                    m 30-3
- بالا                                m 3-5/0
- خیلی بالا                                 ‹m 5/0
 
بنابر این ماهواره های با سنجنده هایی که قدرت تفکیک مکانی آنها بین 5/0 متر تا 3 متر می باشد جزء ماهواره های با قدرت تفکیک مکانی بالا دسته بندی می شوند.
بنابراین کاربردن اینگونه تصاویر اطلاعات بیشتر را با دقت بهتر و صرف هزینه و زمان کمتر نسبت به سایر تصاویر ماهواره ای بدست می آورند.
لذا در مطالعات زیربنایی و مدیریت تفصیلی منابع که به اطلاعات زیادتر و دقت بهتر بسیار مهم است کاربرد های فراوانی دارند. کاربردهایی از قبیل:
بررسی الگو و تغییرات رشد محصولات زراعی
تهیه نقشه های پایه دقیق جهت توسعه منطقه أی
بهنگام نمودن نقشه ها
اکتشاف معادن، ذخائر گاز و نفت
تهیه نقشه های ژئومتریک
 
2-1- سنجنده ایکونوس IKONOS
اولین ماهواره تصویر برداری تجاری با قدرت تفکیک مکانی بالا به نام ایکونوس با قدرت تفکیک مکانی یک متر پس از پرتاب در مدار قرار نگرفت ولی دومین ماهواره ، ایکونوس در 24 سپتامبر 1999 پرتاب گردید و با موفقیت در مدار قرار گرفت. تصاویر این سنجنده پس از کالیبراسیون و تستهای مورد نیاز به کاربران ارائه می گردد.
          قدرت تفکیک تصاویر این ماهواره در حالت سیاه و سفید یک متر و در حالت چند طیفی چهار متر است. سطح اطلاعات در این ماهواره به دلیل 11 بیتی بودن داده های آن 2048 می باشد ، که با ترکیب تصاویر چند طیفی و سیاه و سفید می توان تصاویر رنگی با قدرت تفکیک یک متر را بدست آورد.
          این ماهواره می تواند به اندازه 45 درجه به هر طرف دوران کرده و تصویر برداری انجام دهد. این قابلیت امکان بررسی پدیده هایی همچون سیل ، آتشفشان، طوفان، آتش سوزی و غیره را بطور لحظه أی در اختیار کاربران قرار می دهد. دوره تکرار این ماهواره سه روز است، مشخصات سنجنده های این ماهواره به قرار زیر است:
 
قدرت تفکیک مکانی
باندهای طیفی
نام سنجنده
4 متر
باند 1: μm 53/0 – 45/0
Ms- 4  original
4 متر
باند2: μm 61/0 – 52/0
Ms- 4  original
4 متر
باند 3: μm 64/0 –72/0
Ms- 4  original
4 متر
باند 4: μm 88/0 –77/0
Ms- 4  original
1 متر
سیاه و سفید μm 9/0 –45/0
‍P –1 original
 
3- منطقه مورد مطالعه
منطقه مورد مطالعه جنوب شهر اهواز است که قسمتی از رودخانه کارون را هم در بر
می گیرد منطقه مورد مطالعه از طول جغرافیایی     َ30      ْ49      تا 40   ْ49      و عرض  غرافیایی َ10    ْ31  تا  َ20   ْ31         می باشد.
تصویر ماهواره، ایکونوس از منطقه در سال 2000 و به ابعاد 9545 × 7525 بیکسل از نوع سیاه و سفید و تصویر مونو (یک فقره تصویر) تهیه شد. بدلیل اینکه تصویر منطقه پنجره ای از فریم کامل تصویر بوده لذا هنگام جداسازی پنجره سطوح اطلاعات به صورت 8 بیتی ذخیره گردید.
 
4- مدلهای ریاضی جهت تصحیح هندسی تصویر
4-1- چند جمله ایهای عمومی (Global Polynomials)
 
فرم کلی این معادلات به صورت زیر است:
a0+a1x+a2y+a3xy+a4x2+a5y2+a6xy2+a7x2y+a8x2y2+…..      =X
Y=b0+b1x+b2y+b3xy+b4x2+b5y2+b6xy2+b7x2y+b8x2y2+…..
 
این معادلات به منظور رفتن از فضای تصویر به فضای شئی ( در این معادلات بنابر عدم نیاز  به مختصه سوم از بعد سوم فضای شئی صرفنظر می شود) به صورت مستقیم می باشند، در این معادلات ابتدا باید ضرایب a i و bi با استفاده از نقاط کنترل زمین محاسبه شده و با وارد کردن مختصات تصویری نقاط مختصات شیئی آنها محاسبه می شود. در معادلات چند جمله ایهای عمومی به هر یک از aixiyk  و bixiyk ها یک ترم گفته می شود و درجه هر چند جمله ای max(j,k)
می باشد. هر یک از این ترمها یک سری از خطاهائی را که تاثیر آنها با درجه ترم مشخص
می شود، حذف می کند. مثلاً ترمهای درجه اول خطاهای درجه اول
(Affinity) و ترمهای درجه n ام خطاهای درجه n ام را حذف می کند. روش حل این معادلات به صورت کمترین مربعات می باشد و دقت نهایی آنها با استفاده از نقاط چک محاسبه می شود.
 
4-2- مدل توابع رشنال (Rational Function)
این مدل ارتباط بین فضای سه بعدی زمین و فضای تصویر را برای هر نوع عکس تصویر مستقل از هندسه آن برقرار می نماید. فرم ماتریسی معادلات توابع رشنال به شرح زیر است:
 
I Z Y X …… Y3X3)(a0a1……a19)T/(I Z Y X … Y3 X3) (Ib1…. B19)T)r =
 C=(IZYX….Y3X3)(C0C1….. C19)T/(IZX……Y3X3)(Id1……d19) T
 
 
در اینجا C و r: مختصات پیکسل نرمال شده روی تصویر
 X,Y,Z  : مختصات سه بعدی نرمال شده روی زمین (نقشه و DEM).
dijk, cijk, bijk,aijk   ضرائب چند جمله ای می باشند.
ضرائب چند جمله ای d, c, b, a ضرائب تابع رشنال RFCS (Rational Function Coefficients) و یا RPC ((Rational Polynomial Camera نامیده می شوند.
بطور خلاصه مزایای توابع رشنال عبارتند از [Madani,M,1999]:
مستقل از سنجنده،
سرعت کافی برای پیاده سازی آنی،
حمایت از هر نوع سیستم مختصات،
سهولت مدلسازی برای سایر سنجنده ها،
دقت بالا،
قابلیت بکارگیری این توابع برای هر نوع تصاویر،
 
 انتخاب نقاط کنترل زمین
انتخاب نقاط کنترل زمین برای منطقه مورد مطالعه با استفاده از دو دستگاه گیرنده دو فرکانسه Cersel,GPS با روش Rapid static با دقت حدود 3 تا 5 میلیمتر اندازه گیری شد که مختصات نقاط در سیستم WGS 84 بودند. انتخاب نقاط کنترل به صورتی انجام گرفت که پراکندگی یکسان نقاط در سطح تصویر بخصوص در گوشه ها برقرار باشد.
 
6- ارزیابی دقت هندسی تصویر دو بعدی ایکونوس
تصویر ایکونوس با استفاده از دو مدل دو بعدی چند جمله ایهای عمومی و توابع رشنال تصحیح گردید. در هر دو روش از 17 نقطه کنترل و 15 نقطه چک یکسان استفاده شد. توزیع نقاط کنترل و چک بر روی تصویر در عکس شماره 1 ضمیمه می باشد.
 
الف:تست دقت هندسی با استفاده از مدل چند جمله ایهای عمومی:
در این روش با استفاده از چند جمله ایهای درجه دو تصویر منطقه تصحیح شد و RMSE د بعد X برابر 11/1 متر و در بعد Y برابر 17/1 متر حاصل شد. (جدول شماره 1 ضمیمه)
 
ب: تست دقت هندسی با استفاده از توابع رشنال:
در این روش ابتدا با استفاده نقاط نقشه های با مقیاس 25000/1 DEM منطقه تهیه شد و سپس با لحاظ نمودن نقاط کنترل و چک در توابع رشنال با ضرایب 6، تصویر منطقه تصحیح شد و RMSE در بعد X برابر 6/0 متر و در بعد Y برابر با 75/0 متر گردید. (جدول شماره 1 ضمیمه)
 
7- قابلیت هندسی تصویر ایکونوس جهت تهیه نقشه های توپوگرافی
یکی از عمده ترین کاربردهای تصاویر ماهواره ای استفاده از این نوع داده ها در تهیه نقشه های توپوگرافی می باشد. بررسی مشخصات فتوگرامتری تصاویر اعم از دقت هندسی مانند دقتهای ارتفاعی و مسطحاتی از مسائل اساسی در تعیین قابلیت تصاویر در تهیه نقشه های توپوگرافی با مقیاس مشخص می باشد. البته ویژگیهای رادیومتریک و طیفی داده ها از مسائل مهم در تعیین قابلیت تصاویر در تهیه نقشه های مزبور
می باشد. اما آنچه که در این مقاله به آن پرداخته شده است، تنها ارزیابی دقت هندسی تصاویر و بالطبع ارزیابی آن از نقطه نظر رابطه دقت هندسی و مقیاس نقشه می باشد.
زیرا که یکی از معیارهای مهم در بررسی امکان تهیه نقشه های توپوگرافی در مقیاسهای مختلف
 است که از تصاویر انتظار داریم. رابطه اندازه پیکسل و ارتباط آن با دقت مسطحاتی جهت بررسی توانایی تصاویر در استخراج داده های مسطحاتی از مدلهای ریاضی دو بعدی با استفاده از فرمول زیر بدست می آید. این مدلها تنها قابلیت اسمی تصاویر را در تهیه نقشه مشخص می کند:
PL=√2 H .σ σ
                   ƒcosθ
PL σ: دقت مسطحاتی
θ:زاویه دید سنجنده
σ: دقت نقطه ای
ƒ:فاصله کانونی سنجنده
 
معمولاً توانمندی تصاویر ماهواره ای را برای تهیه نقشه های توپوگرافی با استفاده از فرمولهای زیر مشخص می نمایند.
0/3mm . ns= PL σ
PL σ: دقت مسطحاتی
ns: عدد مقیاس
 
بنابر این با توجه به اینکه یکی از مسائل بسیار مهم در تهیه نقشه های توپوگرافی دقت هندسی تصاویر می باشد و با نظر به دقتهای بدست آمده در این مقاله قابلیت تصویر مزبور در تهیه و تولید نقشه های توپوگرافی به شرح زیر است.
(RMSE(X)2+RMSE(y)2) 1/2 =PL σ
 
PL σ: دقت مسطحاتی
RMSEX : RMSE در امتداد X
RMSEY : RMSE در امتداد Y
مدل رشنال:                                                            مدل چند جمله ای:
                        2/1()275/0)+2 (6/0))=PL σ                                                                         2/1(1.17)2)+2 (11/1))=PL σ
                                0/9605=PL                                                             σ6128/1=PL σ
                   = 0/3 mm * ns 9605/0 =0/3 mm.ns                                               6128/1
                                         ns=5276                                                                 ns=3201
 
 
8-نتیجه گیری
با توجه به بررسی مجموع نتایج حاصل شده می توان از تصویر مونو ایکونوس و انتخاب نقاط کنترل با استفاده از گیرنده های دو فرکانسه GPS می توان با استفاده از مدل چند جمله أی به نقشه های مسطحاتی با مقیاس 5376/1 و با مدل رشنال نقشه های مسطحاتی با مقیاس 3201/1 دست یافت.
همچنین مشخص گردید که تصحیح هندسی بستگی کامل به دقت نکات کنترل دقت مدل تصحیح هندسی دارد.
 

کلید واژه ها: سایر موارد