Doc. Ing. Jozef Čerňanský, CSc.1, Mgr. Miroslav Kožuch1,
Mgr. Ján Kianička2, Mgr. Hana Stanková1
1
Univerzita Komenského v Bratislave
Prírodovedecká fakulta
Katedra kartografie, geoinformatiky a DPZ
Mlynská dolina, 842 15 Bratislava
E - mail: cernansky@fns.uniba.sk, kozuch@fns.uniba.sk, stankova@fns.uniba.sk
2 České vysoké učení technické Praha
Thákurova 7, Praha 6
E-mail: : kianicka@email.cz
This paper presents the creation of Kysuca river basin photomaps on the basis of SPOT satellite digital images. For the transformation to coordinate land surveying system S-JTSK we used the polynomial transformation and The Basic Maps of Slovak Republic in the scale 1 : 25 000. Resulting residuals on the check points didn't exceed 15 m. This accuracy is sufficient for the mapping in the scale 1 : 50 000 and it corresponds with SPOT image resolution. On this digital photomap were the best identifiable forest boundaries and we could well recognize also the forest roads with light surface and 1st and 2nd class asphalt roads. Because of the poor enhance we couldn't identify small watercourses and residence areas.
Príspevok prezentuje tvorbu fotomapy povodia rieky Kysuce s využitím obrazových záznamov družice SPOT. Na polohové priradenie do súradnicového systému S-JTSK sa využila polynomická transformácia a mapový podklad ZM 1:25 000. Zvyškové stredné chyby na kontrolných bodoch nepresiahli 15 m. Uvedená presnosť je dostatočná a plne vyhovuje pre účely mapovania v mierke 1:50 000. Zároveň zodpovedá rozlišovacej schopnosti obrazových záznamov družice SPOT. Na takto vytvorenej digitálnej fotomape možno dobre identifikovať hranice lesných porastov, lesné cesty so svetlým povrchom a asfaltové cesty prvej a druhej triedy. Pre slabý kontrast nemožno identifikovať malé vodné toky a areály sídiel.
Cieľom práce bolo vyhotoviť ortofotomapu horného úseku povodia rieky Kysuca po Čadcu v mierke 1:50 000 na podklade panchromatického digitálneho obrazového záznamu družice SPOT.
Ortorektifikácia digitálneho obrazu uvedenej SPOT scény však predpokladá veľmi presnú znalosť geometrie snímania a vonkajšej orientácie každého riadku. Keďže sme nemali k dispozícií špeciálny softvér na spracovanie družicových scén, ortorektifikáciu digitálneho obrazu sme nahradili transformáciou s využitím značného počtu vlícovacích bodov. Išlo o postup, ktorý sa bežne využíva aj pri spracovaní dát do GISu [1].
Pokiaľ by sa scéna polohovo priradila len s využitím orbitálneho modelu, bez ohľadu na členitosť reliéfu, dopustili by sme sa značných chýb. Uvedený postup zodpovedá prvotnému spracovaniu obrazu, kde ešte nie sú uskutočnené geometrické korekcie. Analyticky určená chyba tohto prvotného spracovania môže na západnom okraji spracovanej scény povodia rieky Kysuca, kde je uhol náklonu scény SPOT dosahuje až 6,8°, dosiahnuť polohový posun až 75 m v smere kolmom na stopu satelitu. Uvedená polohová chyba zodpovedá polovičnej hodnote relatívneho prevýšenia v riešenej lokalite. Preto sme sa snažili o zmenšenie polohovej chyby využitím rovinnej transformácie.
Pre uvedenú transformáciu bolo nevyhnutné použiť značné množstvo vlícovacích ako i kontrolných bodov, ktoré pokrývali celé mapované územie. Nakoľko sme nemali k dispozícii údaje z merania GPS, ako podklad sme využili digitálne Základné mapy SR. Pretože geometrické rozlíšenie scény SPOT bolo 5 m, využili sme digitálne Základné mapy Slovenskej republiky mierok 1:25 000 (ďalej ZM-25) nasledujúcich nomenkaltúr: Turzovka 25-242, Čadca 26-131, Turzovka 25-244, Čadca 26-133. Na uvedených ZM-25 sme identifikovali časovo stále a polohovo nemenné vlícovacie a kontrolné body.
Uvedené body predstavovali stredy križovatiek ciest, mostov a rohov osamotených budov. Snahou bolo, aby rozmiestnenie uvedených bodov bolo podľa možnosti rovnomerné a zároveň aby vystihovalo priebeh terénu (body v údoliach riek a potokov a na chrbátoch). Celkový počet vlícovacích bodov pokrývajúcich uvedené štyri mapové listy ZM-25 dosiahol 53. Na určenie presnosti transformovaného obrazu scény SPOT do podoby fotomapy sme na každom mapovom liste ZM-25 vybrali ďalšie 3 kontrolné body.
Na polohové priradenie scény SPOT do súradnicového systému S-JTSK sa potom využila polynomická transformácia piateho stupňa. Zvyškové chyby na vlícovacích bodoch jednotlivých mapových listov ZM-25 dosiahli mxy = 10,5 m. Najväčšie odchýlky v hodnotách mxy = 20 - 30 m pritom vznikli na bodoch, ktoré predstavovali stredy križovatiek ciest na hrebeňoch v riešenom území.
Pre posúdenie presnosti polohovej transformácie sa využili aj ďalšie kontrolné body, na ktorých boli dosiahnuté odchýlky mxy = 14,2 m (Tab.1).
| Súradnice geodetického bodu (má byť) | Súradnice reálneho bodu na transformovanej scéne (je) | Výsledná súradnicová odchýlka v m | Polohová odchýlka v m | ||||
Bod | X (m) | Y (m) | X (m) | Y (m) | (X (m) | (Y (m) | mxy (m) |
14 | -454205.90 | -1153454.28 | -454201.03 | -1153448.12 | -4.87 | -6.16 | 7.85 |
5 | -449416.45 | -1149021.01 | -449416.18 | -1149030.45 | -0.27 | 9.44 | 9.44 |
3 | -454730.35 | -1147510.82 | -454749.02 | -1147518.99 | 18.67 | 8.17 | 20.37 |
10' | -452296.61 | -1144563.15 | -452280.78 | -1144563.82 | -15.83 | 0.67 | 15.84 |
5' | -451622.36 | -1139641.45 | -451634.36 | -1139638.86 | 12.00 | -2.59 | 12.27 |
13' | -447110.54 | -1146226.18 | -447084.44 | -1146219.35 | -26.10 | -6.83 | 26.97 |
9'' | -442703.32 | -1142930.09 | -442703.56 | -1142921.28 | 0.24 | -8.81 | 8.81 |
7'' | -440162.56 | -1144351.82 | -440167.27 | -1144343.41 | 4.71 | -8.41 | 9.63 |
3S | -442838.65 | -1148473.06 | -442823.30 | -1148472.90 | -15.35 | -0.16 | 15.35 |
5S | -437179.48 | -1149442.37 | -437171.63 | -1149441.82 | -7.85 | -0.55 | 7.86 |
10S | -442171.84 | -1152932.43 | -442180.22 | -1152930.73 | 8.38 | -1.70 | 8.55 |
|
|
|
|
|
|
| mxy =14.25 m |
Tabuľka č. 1 Súradnicové rozdiely na kontrolných bodoch fotomapy
Na porovnanie bola využitá aj transformácia pomocou polynómov druhého, tretieho a štvrtého stupňa, ktorej výsledky sme porovnali s výsledkami dosiahnutými pri polynóme piateho stupňa uvedenými v Tab.2.
| Polynóm | ||||
| 2-hého stupňa | 3-tieho stupňa | 4-tého stupňa | 5-teho stupňa | |
Aritmetický priemer | 17,5 | 14,0 | 13,1 | 13,0 |
Štandardná odchýlka [m] | 8,5 | 6,4 | 5,0 | 5,9 |
Maximálna odchýlka [m] | 32,2 | 24,2 | 20,3 | 27,0 |
Tabuľka č. 2 Štatistické ukazovatele polohových odchýlok na kontrolných bodov pomocou rovinných transformácii scény povodia rieky Kysuca
Vzhľadom na uskutočnené polohové priradenie scény možno považovať dosiahnuté zvyškové chyby na kontrolných bodoch za vyhovujúce, zvyškové chyby na ostatných bodoch nepresiahli 20 m. Uvedené výsledky z hľadiska polohovej presnosti možno pokladať za dostatočné pre účely mapovania v grafickom rozlíšení máp mierke 1:50 000 a zodpovedajú rozlišovacej schopnosti scény SPOT.
Ďalšou úlohou bolo vyskúšať vhodnosť satelitného digitálneho obrazu pre priamu digitalizáciu jednotlivých prvkov Základnej mapy Slovenskej republiky mierky 1:50 000 (ďalej ZM-50).
Obr.1 Výrez z pôvodnej scény družice SPOT
Pri digitalizácií polohovo priradeného obrazu sa ukázalo, že najlepšie na digitálnom polohovo-priradenom obraze scény SPOT bolo možné identifikovať hranice lesných porastov. Veľmi dobre bolo možné taktiež rozoznať lesné cesty so svetlým povrchom a asfaltové cesty prvej a druhej triedy. Pre zvýraznenie ďalších prvkov polohopisu, hlavne cesty tretej triedy a železnice, však musel byť digitálny obraz upravovaný. Na vizualizáciu líniových prvkov sa využila hlavne metóda zvýrazňovania hrán obrazu pomocou hranových operátorov [2].
Pre zber polohových prvkov sme využili najmä hranový operátor typu Kirsch, nakoľko dobre odlišoval hranice lesných celkov ako aj lesné cesty.
Ako príklady uvádzame obraz spracovaný hranovým operátorom Kirsch (Obr.2), Sobel (Obr.3) a Walis (Obr.4).
Obr.2 Použitie hranového operátora typu Kirsch
Obr.3 Použitie hranového operátora typu Sobel
Obr.4 Použitie hranového operátora typu Walis
Pre slabý kontrast s okolím nemohli byť mapované malé vodné toky. Problémovou kategóriu boli aj areály sídiel. Takéto areály sa vyznačujú veľkou variabilitou svojho povrchu, takže zo scény SPOT ich nebolo možné správne identifikovať. Rozlišovacia schopnosť scény SPOT v type prostredia sídiel totiž nezachytáva množstvo malých rôznorodých objektov v sídlach, ktoré sú pod hranicou priestorového rozlíšenia scény SPOT s veľkosťou obrazového prvku 10 m.
Spracovanie družicových obrazov sa ukázalo ako pomerne náročná úloha. Je zložitejšia po teoretickej aj praktickej stránke ako v súčasnosti bežné fotogrametrické spracovanie leteckých snímok. Využitím polynomickej transformácie piateho stupňa na značný počet vlícovacích bodov bolo možné polohovo priradiť pôvodný obraz SPOT scény, ktorá sa neskôr využila na vektorizáciu polohopisných prvkov ciest, železníc a hraníc lesa, pre vytvorenie rozlišovacej schopnosti ZM-50.
Výslednú fotomapu (Príloha 1) povodia rieky Kysuca po Čadcu tvorí polohovo priradený obraz scény SPOT. Topografické prvky asfaltových ciest, železnice, ľudské sídla boli čiastočne prebraté zo Základnej mapy SR 1:25 000, takisto ako aj hranica záujmového územia.
Práca vznikla na základe podpory grantu č. 1/0095/03 udeleného vedeckou agentúrou VEGA Ministerstva školstva SR a Slovenskej akadémie vied.
Obr. 5 - příloha (click on image to see it in original resolution)