Диссертация (Автоматическая сшивка радиолокационных изображений земной поверхности при неизвестных элементах внешнего ориентирования), страница 15

Для просмотра или редактирования такого однослойногоизображения колоссальных размеров необходимо затратить огромный объем ОЗУ.Кроме того, в данном случае теряется возможность совместного анализаместности, попавшей на несколько РЛИ (только одно РЛИ данной местности будетвидно на едином изображении после наложения).Другой способ хранения результатов сшивки предполагает отдельноехранение каждого трансформированного РЛИ земной поверхности в совокупностис файлом привязки, который содержит информацию об ориентации данноготрансформированного РЛИ. Просмотр многослойной единой радиолокационнойкарты при этом осуществляется с помощью географической информационной(геоинформационной) системы (ГИС), которая «на лету» формирует видимыйфрагмент сшивки путем наложения отдельных трансформированных РЛИсогласно файлам привязки. Большинство ГИС поддерживают возможностьисключения того или иного слоя – РЛИ земной поверхности – из видимогофрагмента единой радиолокационной карты, позволяя проводить совместныйанализ изображений местности, попавшей на несколько РЛИ.ТрансформированноеРЛИземнойповерхностиможетиметьнепрямоугольную форму, поэтому для ее успешного описания и исключенияпроблем при наложения в ГИС формат хранения изображения долженподдерживать α-канал (канал прозрачности).

Примером таких форматов являютсяPNG и TIFF.В качестве файла привязки рекомендуется использовать мировой файл (влитературе часто встречается зарубежное наименование world-file) – текстовыйфайл, состоящий из 6 величин, разделенных переносом строки в следующем110порядке: A, D, B, E, C, F. Данные параметры связывают СК изображения (x,y) сзаранее определенной плоской географической СК (xg,yg) следующим аффиннымпреобразованием:‖‖ ‖xg = A B C ⋅ x ,yD E Fyg1‖‖‖(69)где C и F – координаты левого верхнего пикселя трансформированного РЛИземной поверхности в плоской географической СК, а параметры A, B, C и Dзадают изменение масштаба и поворот вокруг точки (C,F). Используемая плоскаягеографическая СК в файле не задается.

В нашем случае в качестве такой СКиспользуется СК единой радиолокационной карты. Привязку изображения спомощью мирового файла поддерживают большинство существующих ГИС.Для оптимальной визуализации единой радиолокационной карты приизменении масштаба отображения необходимо использовать растровые пирамиды –набор заранее построенных копий трансформированных РЛИ земной поверхностиразличного масштаба. Данный прием позволяет значительно уменьшить времямасштабирования единой радиолокационной карты для просмотра в ГИС. Дляпостроения растровых пирамид можно применять пакет программ GDAL.Таким образом, каждый трансформированный РЛИ земной поверхности изполученной единой радиолокационной карты описывается тремя файлами:непосредственно само трансформированное РЛИ (.png), файл привязки (.pgw) иархив растровых пирамид данного РЛИ (.ovr).3.3 Моделирование алгоритма автоматической сшивки радиолокационныхизображенийМоделированиеалгоритмаавтоматическойсшивкиРЛИземнойповерхности при неизвестных элементах внешнего ориентирования происходило111с помощью его реализации в виде компьютерной программы, написанной наязыке программирования C++ с использованием библиотек STL, gdal и OpenCV.Полученная компьютерная программа имеет консольный интерфейс.Небольшое количество доступных опций позволяет провести оптимальнуюнастройку для конкретной используемой ЭВМ.

Перечень опций настройки, атакже внешний вид работы различных этапов программы представлены вприложении Г.В рамках тестирования полученного алгоритма была проведена сшивкадесяти РЛИ земной поверхности с разрешением 2,5 метра района местностивблизи города Анкоридж, США. Набор входных РЛИ земной поверхностипредставлен на рисунках Д.1 - Д.10. Расположение на местности указанных РЛИпредставлено на рисунке Д.11. Количество найденных точек интереса наобрабатываемых РЛИ приведено в таблице 3.3.Таблица 3.3 – Количество найденных точек интереса модернизированногоалгоритма SURF на обрабатываемых РЛИ земной поверхностиИзображениеРазмер (пкс х пкс)Количество точек интересаI1 (рисунок Д.1)6172 х 11754279681I2 (рисунок Д.2)6296 х 11778166875I3 (рисунок Д.3)6256 х 11760195854I4 (рисунок Д.4)6214 х 11742166010I5 (рисунок Д.5)6174 х 11726189526I6 (рисунок Д.6)6254 х 11774233458I7 (рисунок Д.7)6212 х 11758268072I8 (рисунок Д.8)6174 х 11740264413I9 (рисунок Д.9)6130 х 11724315073I10 (рисунок Д.10)6212 х 11772276708Несмотря на малые области перекрытия (<7%), успешно были найденыопорные точки и вычислена взаимная ориентация между большинством112перекрывающихся РЛИ.

Результаты данного этапа обработки представлены втаблице 3.4.Таблица 3.4 – Количество опорных точек между обрабатываемыми РЛИ земнойповерхности–I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10I1–2252167638702016I22–2694102652110I322694–9972240132437I451997–3635211415427I52023635–504461991I6126524025–196322111I7676213211401963–38405116I83871415444623840–18361I90132199251836–0I102016077111111610–Представленные данные позволяют также оценить количество ошибочныхопорных точек, найденных на РЛИ подобного размера. РЛИ без областейперекрытия (например, I1 и I2, I3 и I10) имеют до 7-10 опорных точек, которые,очевидно, являются ошибочными.

Для перекрывающихся РЛИ число ошибочныхопорных точек имеет тот же порядок.Обработка указанных РЛИ земной поверхности тестируемым алгоритмомзаняла 11 минут и 2 секунды. Получившаяся единая радиолокационная картапредставлена на рисунке Д.12. Погрешность полученной сшивки размером~ 50x80 км составляет порядка 1-2 элементов разрешения (пикселей).На рисунках Д.13 и Д.14 представлены перекрывающиеся РЛИ земнойповерхности площадью около 1 МПкс каждый, полученные с помощью РСА«Компакт» в L- и УКВ-диапазонах соответственно. Несмотря на значительныеразличия между данными РЛИ одной и той же местности в силу использования113различных диапазонов длин волн, автоматически были найдены 22 опорныеточки.

Обработка указанных РЛИ земной поверхности заняла около 1,7 секунды.Результаты сшивки представлены на рисунке Д.15. Погрешность полученнойединой многослойной радиолокационной карты не превышает 3 элементовразрешения (пикселей).На рисунках Д.16 - Д.19 представлены перекрывающиеся искаженныефрагменты РЛИ земной поверхности района города Розенхайм площадью около0,7МПкс каждый.

Указанные фрагменты РЛИ подверглись как геометрическим,так и яркостным искажениям. Результаты работы алгоритма автоматическойсшивки РЛИ земной поверхности представлены на рисунке Д.20. Погрешностьполученной сшивки не превышает 1 элемента разрешения (пикселя).Отдельностоитупомянутьопороговыхзначенияхпоказателейнасыщенности семантики при оценке пригодности обрабатываемых РЛИ земнойповерхности для сшивки (см. подраздел 2.3.3). Точные величины пороговыхзначений подбираются эмпирически. Необходимым, но не достаточным условиемявляетсяS ps >3×10−7(полученаизоценкиколичестваошибочныхинеобходимых для определения ориентации опорных точек на единицу площади).Хорошую стабильность сшивки показывают РЛИ земной поверхности, Sm которыхв большинстве узлов сетки превышает 10. При этом шаг сетки должен составлять1/8 линейного размера изображения.Стоитотметить,модернизированногочтоалгоритмаколичествоSURFнайденныхпрямоуникальныхпропорциональноточекплощадиобрабатываемого РЛИ (при одном и том же характере семантики).

В этой связиРЛИ большого разрешения стабильно сшиваются даже при малой областиперекрытия, так как количество опорных точек в ней достаточно велико (чтоследует из большого количества уникальных точек). Чем меньше РЛИ земнойповерхности, тем большая область перекрытия необходима для успешной сшивки.В связи с тем, что многие этапы обработки РЛИ в рамках разработанногоалгоритма автоматической сшивки РЛИ земной поверхности содержат огромное114количество независимых вычислений, время работы полученного алгоритма можетбыть значительно сокращено при использовании параллельных вычислительныхсистем (например, на базе вычислительных кластеров, технологий CUDA, OpenCLили массивов вычислительных ядер NeuroMatrix Core 3) [110].3.4 Влияние высотных объектов и рельефа местности на точность сшивкиВозвышение отдельных объектов над подстилающей поверхностью илиизменение высот местности приводят к смещению отметок по горизонтальнойдальности (см.

подраздел 2.2). Не имея высокоточной привязки к местности,устранить подобные искажения невозможно. Величину смещения отметки погоризонтальной дальности можно оценить по формуле [2, 107]:Δ y Р =− y+ √ ( y 2−2 H Δ h+Δ h2 ) ,(70)где y – горизонтальная дальность, H – высота полета РЛС, а Δ h – превышениеучастка местности или высотного объекта над подстилающей поверхностью.Перепады высот при съемке местности с разных ракурсов и высот полетаприводят к различным смещениям относительно подстилающей поверхности дляодного и того же участка местности. Попадание опорной точки на подобныевысотные объекты или возвышенные участки местности может привести кошибочному определению взаимной ориентации между перекрывающимися РЛИземной поверхности при сшивке.Благодаря использованию М-оценок при вычислении ориентации РЛИ (см.подраздел 2.3.5), высотные объекты локального характера (небольшой холм илиуглубление, одиночные постройки или небольшие (в масштабах кадра РЛИ)группы построек) не вносят ошибок в определение параметров проективногопреобразования искомой взаимной ориентации между обрабатываемыми РЛИ.115Опорные точки, найденные на таких объектах, не вписываются в общую картинупреобразования, поэтому к окончанию работы алгоритма поиска ориентацииимеют значения весового коэффициента (55) близкие к нулю.Небольшие случайные изменения высот местности в результате работыалгоритма определения ориентации РЛИ (см.

подраздел 2.3.5) аппроксимируютсяплоскостью с высотой, равной средней высоте видимого на РЛИ участкаместности, поэтому не вносят значительных погрешностей в сшивку РЛИ.Значительные погрешности определения ориентации перекрывающихсяРЛИ будут наблюдаться при резких и глобальных изменениях высот местности врайоне съемки. Примером могут служить РЛИ горных массивов.