Ortorektifikace

Ortorektifikace (z anglického slova orthorectification, v češtině se rovněž používají termíny ortogonalizace nebo diferenciální překreslení) je podle definice proces odstranění geometrického zkreslení snímku způsobeného nestejnou vzdáleností nebo výškou terénu. Výsledek procesu ortorektifikace se pro obrazová data (tj. např. družicové scény nebo letecké snímky) nazývá ortofoto, více ortofot složených do jednoho souboru pak ortomozaika.

Zatímco družicová scéna scéna je pořízena pod určitým úhlem, který většinou nebývá vůči povrchu Země kolmý a jehož hodnota navíc není pro celou scénu konstantní, výsledné ortofoto je vytvořeno pravoúhlým promítáním. Krajina se tedy na ortofotu jeví jako bychom se na každý bod dívali kolmo shora a každý bod v terénu je zobrazen jako průsečík jím vedené kolmice vůči zobrazovací rovině ortofota. Stejným pravoúhlým promítáním vznikají všechny mapy a ortofota proto mohou po doplnění dalšími údaji tvořit základ ortofotomapy.

Obr. Simulovaný šikmý pohled na pravidelnou čtvercovou síť zkreslenou vlivem reliéfu. Cílem ortorektifikace za použití digitálního výškového modelu je odstranit tato zkreslení a v tomto případě tedy dosáhnout pravidelné nezkreslené čtvercové sítě. Ve výsledku pak tedy (stejně jako v mapách) je každý bod zobrazen jako při pohledu kolmo shora.

 

Digitální model terénu


Pro odstranění zkreslení způsobeného nestejnou výškou terénu je nezbytným předpokladem kvalitní a přesný digitální výškový model, který poskytuje informaci o výškových poměrech v území. Potřebná přesnost terénního modelu se odvíjí od požadované přesnosti výsledného ortofota.

  • optická data pořizovaná v nadiru

V případě optických družicových systémů, které neumožňují výklon družicového skeneru, jsou tato zkreslení nejmenší a nároky na výškový model nejsou vysoké. V následující tabulce najdete příklady hodnot polohových zkreslení v závislosti na různých výškových poměrech zobrazeného území (jedná se o posuny počítané na okraji družicové scény).

Družice Maximální výškový rozdíl [m]
50 100 250 500 1000 2000 5000
IRS 1C/1D 4 m 9 m 21 m 43 m 86 m 171 m 428 m
Landsat 5/7 6 m 13 m 32 m 64 m 128 m 255 m 638 m
  • optická data pořizována pod šikmým úhlem

Velikost polohových zkreslení způsobených reliéfem u družic s možností výklonu družicového skeneru si můžete spočítat pomocí následující kalkulačky. Pokud zadáte maximální výškový rozdíl od střední nadm. výšky v území, zjistíte velikost polohové chyby, se kterou musíte počítat v družicové scéně typu Standard. Pokud zadáte výškovou přesnost DEM, který bude použit k ortorektifikaci, zjitíte polohou přesnost takto vypočteného ortofota. Pokud jde o úhel pořízení scény, nejmodernější družice umožňují výklon skeneru až do 60° od nadiru, v praxi se však pořizují scény s úhlem do 40°.

Výškový rozdíl / Přesnost DEM [m]: Úhel pořízení scény [deg]:
Polohová chyba (Standard) / Polohová přesnost (Ortho): m
  • radarová data

Radarová družicová data jsou pořizována pod velkými pozorovacími úhly a polohová zkreslení vlivem reliéfu jsou obrovská. Proto ortorektifikace záladní podmínkou dalšího využívání těchto dat. V následující tabulce najdete příklady hodnot polohových zkreslení v závislosti na různých výškových poměrech zobrazeného území (jedná se o posuny počítané na okraji družicové scény pořízené pod extrémním úhlem pohledu).

Družice Maximální výškový rozdíl [m]
50 100 250 500 1000 2000 5000
Radarsat Fine 66 m 133 m 332 m 664 m 1327 m 2654 m 6635 m
ERS 137 m 273 m 683 m 1366 m 2733 m 5465 m 13663 m

Poznámka:
Převedení do pravoúhlé projekce se obvykle provádí pouze pro body v úrovni terénu, nikoliv pro objekty na terénu (např. budovy) a terénní pokryv (např. les). Tyto objekty jsou tedy na ortofotu zobrazeny zkreslene, tento skutečnost však současně přináší další informační hodnotu (např. možnost odhadnout výšku a druh stavby). Pokud jsou pravoúhle promítnuty všechny objekty včetně staveb, nazývá se výsledek „pravé ortofoto“ (z angl. true orthophoto).
O druhu výsledného ortofota se rozhoduje volbou digitálního výškového modelu. Pokud výškový model zachycuje pouze výšky terénu, bez budov a dalšího pokryvu, bude výsledkem „nepravé“ ortofoto. Takový výškový model se obvykle označuje jako digitální model terénu DMT (v angličtině Digital Terrain Model, DTM). Pokud výškový model obsahuje výšky povrchu, tzn. terénu s jeho pokryvem a všemi objekty, bude výsledkem „pravé ortofoto“. Takový výškový model se obvykle označuje jako digitální model povrchu, případně digitální model pokryvu (v angličtině Digital Surface Model, DSM).

 

nahoru

Metody ortorektifikace


Součástí ortorektifikace je kromě odstranění geometrického zkreslení snímku způsobeného nestejnou vzdáleností nebo výškou terénu také převedení do požadované mapové projekce, přesné souřadnicové umístění a převzorkování do jednotného výsledného rozlišení.

Nutnými podklady pro přesnou ortorektifikaci jsou vlícovací body (jejichž souřadnice X,Y,Z byly zaměřeny např. pomocí GPS nebo byly získány jiným dostatečně přesným postupem) a výškový model. Optimální přesnost podkladů je závislá na prostorovém rozlišení zpracovávaných dat (velikosti pixelu).
Vlícovací body by měly být zaměřeny s polohovou přesností odpovídající polovině obrazového pixelu a s výškovou přesností dosahující velikosti pixelu.
Velikost prostorového rozlišení (tzn. souřadnicový krok či velikost jedné buňky rastrového DEM) digitálního výškového modelu by měla odpovídat zhruba 4 až 5ti násobku rozlišení ortorektifikovaných dat a výšková přesnost by měla dosahovat hodnoty rozlišení těchto dat

Minmální, případně optimální počet vlícovacích bodů, které jsou potřebné pro ortorektifikaci, se liší podle toho jak přesně (a zda vůbec) známe geometrické faktory ovlivňující geometrii pořízeného snímku (např. poloha, rychlost a orientace nosiče – družice či letadla – v okamžiku pořízení snímku, úhel a délka snímání, parametry skeneru a způsob snímání, tvar a zakřivení zemského tělesa, apod.). Tyto parametry jsou poskytovány v podobě metadat, které tvoří nedílnou součást každé dodávané družicové scény. Čím přesnější metadata máme k dispozici, tím menší počet vlícovacích bodů je potřeba.

Pro věrohodné ohodnocení přesnosti ortorektifikačního modelu je vhodné vybrat a zaměřit určité množství kontrolních bodů, které se nepodílí na výpočtu modelu, ale jsou na nich spočítány odchylky charakterizující přesnost výsledného ortofota.

Ve specializovaných programech, určených ke zpracování družicových dat, jsou implementovány matematické modely, které jsou přizpůsobené vlastnostem jednotlivých typů družic. Tyto modely počítají převodní vztahy mezi nasnímanými družicovými daty a výsledným ortofotem, berou v úvahu všechny dostupné parametry a snaží se na jejich základě odstranit všechna zkreslení.
Načítání metadat probíhá při zpracování družicových dat automaticky, z hlediska uživatele skrytě a bez nutnosti uživatelova zásahu. Metadata pak vstupují do výpočtu ortorektifikace, zlepšují její přesnost a snižují nutný počet vlícovacích bodů.

Při výběru a objednávání družicových dat je proto nutné zvolit nejen správný typ dat, ale i vhodnou úroveň zpracování a správný formát, které umožní jejich co nejefektivnější a nejpřesnější zpracování.

V současné době se používají dva ortorektifikační přístupy:

  • Orbitální družicové modely

Vytvoření každého orbitálního družicového modelu je založeno na základě znalosti všech potřebných paremetrů družice, její oběžné dráhy i jejího senzoru. Tyto údaje jsou zpravidla dodávány v podobě metadat společně s obrazovými daty. Metoda orbitálního modelování umožňuje uživateli při použití sady vlícovacích bodů a digitálního výškového modelu velmi přesně matematicky modelovat a korigovat všechna geometrická zkreslení ve snímku. Nevýhodou této metody je, že téměř pro každou družici musí být vytvořen samostatný model. Tato metoda je často jedinou možností pro ortorektifikace zejména starších typů družicových dat.

  • Racionální funkce

Novější a univerzálnější metodou je matematické modelování pomocí koeficientů racionálních funkcí. Orbitální model je zde nahrazen aproximací vícerozměrnými polynomickými funkcemi. Hodnoty jejich parametrů jsou dodávány společně s družicovými daty v podobě specifických metadat, jako tzv. Rational Functions Model Segment. Metadata neobsahují pouze obecné parametry orbitální dráhy, ale i změřenou pozici družice v okamžiku snímkování a další parametry, které umožňují poměrně přesné souřadnicové umístění do mapové projekce (zpravidla UTM). Ortorektifikaci lze touto metodou provést i s velmi malým počtem vlícovacích bodů, nebo dokonce úplně bez nich, což u předchozí metody není možné. Pro spolehlivé dosažení maximálních přesností postačuje nanejvýš 6 vlícovacích bodů na jednu scénu.
Metoda racionálních funkcí se objevila s nástupem moderních družic pořizujících data s rozlišením okolo jednoho metru a je pro všechny tyto družice prakticky univerzální. Její využití je ovšem podmíněno poskytnutím výše uvedených metadat provozovatelem družice nebo poskytovatelem dat.

Družicová data, podobně jako jakákoliv jiná obrazová data, ke kterým nejsou dostupné žádné doprovodné údaje, lze přesto ortorektifikovat odvozením hodnot koeficientů racionálních funkcí na základě velkého počtu vlícovacích bodů (řádově několik desítek na jednu družicovou scénu). Pracnost takového postupu je ovšem výrazně vyšší a výsledná přesnost bývá zpravidla nižší.

Kromě služeb v oblasti ortorektifikace dat nabízí Gisat všem zájemcům o vlastní zpracování dodání specializovaného software a kompletní uživatelskou podporu včetně možnosti zaškolení.

 

nahoru