Ve Výzkumném koncilu státu Alberta byl vyvinut soubor technologií geomatiky a dálkového průzkumu (GRS = Geomatics and Remote Sensing). Zájem byl zaměřen na novou technologii sběru dat pro základní biofyzikální entity udržitelného rozvoje lesních ekosystémů. Ve svém souboru zahrnuje moderní mapovací prostředky prostorově vázané na pozemní souřadnicové systémy. Dovoluje např. inventuru stromů, přírodních zdrojů a jiných hospodářsky významných informací. Pojednání je pak zaměřeno na vývoj a testování přesného systému zdroje dat, nazývaného DORIS ( = Differential Ortho - Rectification Imagery System, tj. systém diferenciální ortorektifikace snímků).

Hardware mapovacího systému DORIS se sestává ze snímkovací složky a složky laserového skenování. Pro snímkování je v DORIS použita digitální rámová komora, pro skenování slouží palubní systém laserového mapování terénu ALTM (= Airborne Laser Terrain Mapping). Obě části jsou připojeny k pozemnímu souřadnicovému rámci prostřednictvím GPS/INS (inerciální systém) na palubě platformy (letadla). Skenovací laser je plně digitalizovaný systém, který rychle a ekonomicky sbírá terénní data ve velké hustotě. Inteligentní zpracování laserových dat může klasifikovat laserové body podle jejich příslušnosti k terénu, nebo objektům blízko povrchu (vegetace, budovy, elektrické vedení apod.). Jako snímkovací senzor je použit systém profesionální digitální kamery Kodak. Pro přímé napojení na pozemní souřadnicový systém slouží Applanix POS/AV IMU a NovAtel OEM3 Millennium přijímač GPS.

Užitý software je rozdělen na polní a zpracovatelský. Polní software obsahuje část pro sběr snímků, část pro systém kalibrace snímků a část pro přesné urovnání laseru. Zpracovatelský software pak obsahuje část pro rastrování laserového výškového digitálního modelu, část pro diferenciální rektifikaci snímků a část pro sestavení mozaiky.

Sběr snímkových údajů digitální rámovou komorou probíhá v reálném čase, s připojením na pozemní souřadnicovou soustavu. To obsahuje informace interpolované pro jednotlivá stanoviště při expozici. Pro získání hodnotných údajů snímkovacího systému je třeba znát vnitřní a vnější parametry komory. K vnitřním parametrům komory patří ohnisková vzdálenost, poloha hlavního snímkového bodu a charakteristiky distorze čoček. Vnější parametry určují vztah mezi souřadnicovým systémem komory a mapovacím souřadnicovým systémem. Vedle laboratorní kalibrace je možno optimální odhady výsledků kalibrace získat letovou kalibrací s dobře osazeným polem terčů v kalibračním území. Pro systém DORIS je letová kalibrace prováděna pro každou instalaci systému, zatímco laboratorní kalibraci je třeba provádět jednou ročně.

Laserový systém ALTM poskytuje výškový model, nutný pro rektifikaci snímků systému DORIS. Na palubě jsou však dva odlišné systémy komory a laserového skenování, které nemohou zaujímat při snímkování totožnou polohu. Proto je třeba definovat vzájemný vztah souřadnicového systému komory a laseru. Tento vztah je určen v testovacím poli terčů, charakterizovaných v obou systémech. Tato procedura zahrnuje také palubní GPS/INS systém. Konečným výstupem systému laserového skenování je digitální výškový model ve společném souřadnicovém systému ve formě (x, y, z) souřadnic skenovaných bodů laserem. Laser skenuje oblast v nepravidelné formě a výsledný digitální model je třeba převést do pravidelné mřížky rastrového formátu. Toto zpracování je záležitost čistě softwarová. Výsledný rastrový digitální model koinciduje s rastrem snímku a určuje rozlišovací vlastnosti konečné mozaikové mapy.

Snímky DORIS po předzpracování jsou charakterizovány časovým údajem, vztahem k pozemní souřadnicové soustavě a jsou pak použity spolu s informacemi kalibrace pro výpočet pozemních souřadnic každého pixelu nerektifikovaného snímku. Proces ortorektifikace zahrnuje korekce z posunu reliéfu a platformy. Závěrem je z jednotlivých rektifikovaných snímků vyhotovena mozaiková barevná mapa.

Pro vyzkoušení prototypu DORIS byl proveden letový test, a to v prostoru velkého Toronta, Ontario, v dubnu 1999. Let obsahoval kalibrační a operační oblasti. Kalibrační oblast byla nalétána více jak jednou a ve dvou kolmých směrech, orientovaných přibližně sever - jih a východ - západ. Tato oblast obsahovala budovu s dlouhou, přímou stranou pro kalibraci a jemné naladění laserového skenovacího systému. Rohy vrcholku střechy byly přesně zaměřeny diferenciálním GPS. Přitom byl stejnou technikou zaměřen také velký počet pozemních kontrolních terčů. Pozemní terče byly z plachtoviny 2 x 2 m s černobílým křížem. Celkově bylo takových terčů, včetně rohů budovy, zaměřeno asi 40. Konfigurace použitého prototypu a střední letová výška vyplývala ze středního pozemního pixelu 0,30 m.

S ohledem na to, že systém DORIS je multisenzorový, všeobecná přesnost polohy systému je výsledkem kombinace různých zdrojů chyb. Chyby jsou ovlivněny vnitřními a vnějšími parametry, přičemž vnější parametry jsou tvořeny také různými souřadnicovými systémy (rámci) jednotlivých prvků. V podstatě je to rámec GPS, rámec inerciálního systému, rámec laseru a rámec snímku. Zdroje chyb je pak možno shrnout takto:

• chyby z připojení na pozemní souřadnicový rámec,
• chyby z odhadu pixelů,
• chyby kalibrace a urovnání.

Chyby v určení polohy způsobené přímým připojením na pozemní rámec jsou nejvýraznější v rozích snímkových rámců. Chyba snímkovacího systému je rovněž nejvíce zvýrazněna v rozích, a to zejména z důvodů distorze čoček. Chyba vyvolaná chybným urovnáním systému komory a laserového skenování je systematická a přispívá velkým dílem do celkové kombinace chyb.

Po kalibraci a ortorektifikaci je provedeno porovnání chyb ve vodorovném směru, odvozených z pozemních bodů GPS a stejných bodů na snímcích. Výsledky rozborů, při nichž byly uváženy pouze pozemní terče, jsou lepší než výsledky, při kterých byly užity všechny body (tj. pozemní terče a rohy budov atd.). Tato rozdílnost je pochopitelná, neboť určení pozemní polohy rohů budov je méně přesné, než určení volně situovaných terčů. S uvážením rozměru pixelu 0,3 m činí standardní odchylka chyb (0,20 m) dvě třetiny pixelu. Jinými slovy, chyby menší jak 0,20 m lze očekávat v prostoru snímkového rámce v 67 %. Chyby tohoto typu jsou přitom koncentrovány v prostoru středu snímkového rámce. Chyby větší jak 0,6 m lze očekávat z důvodů distorze čočky v prostoru rohů snímků.

Odchylky chyby jsou přitom způsobeny dvěma faktory, a to dlouhou základnou a chybným urovnáním. S ohledem na to, že referenční stanice GPS byly vzdáleny více jak 50 km od kalibračního prostoru, ovliňuje chybu také působení atmosféry. Stejnou vlastnost vykazuje i chybné vzájemné urovnání systému komory a laseru. Při připočtení těchto chyb do konečných výsledků, je výsledná střední chyba přibližně o velikosti jedné a dvou třetin rozměru pixelu.

Cílem vytvoření systému DORIS pro lesní hospodářství bylo vytvoření levného systému pro plánování a řízení v této oblasti. DORIS kombinuje technologii laserového skenování s digitální snímkovou technologií s cílem produkovat přesně ortorektifikovanou plošnou snímkovou mozaiku s vysokým rozlišením. S laserovým skenerem DEM poskytuje DORIS úplnou prostorovou základní vrstvu systému GIS a může virtuálně sloužit pro všechny aplikace mapování, vyžadující vysoké rozlišení a trojrozměrné prostorové informace.

Všeobecný rozbor chyb ukazuje slibné výsledky systému, a to pro jeho vysoce přesné složky hardwaru a softwaru a postupů zpracování. Výsledky testů ukazují subpixelovou přesnost mozaikové mapy. Systematické chyby a odchylky způsobené atmosférickými vlivy a kalibrací přispívají k všeobecné přesnosti systému. Chyby způsobené chybným urovnáním mezi snímkovacím a laserovým systémem přispívají rovněž významně k všeobecné přesnosti systému. Vysoká rozlišovací schopnost systému DORIS a jeho vysoká přesnost tak vytvářejí ideální systém pro studium lesních zdrojů a dalších aplikací v mapování, kde jsou takové vlastnosti vyžadovány.

vyvěšeno: 8.říjen 2001

---

Z časopisu Zeměměřič č. 10/2001