Автоматизоване оновлення на топографічних картах дорожніх мереж Іраку з використанням космічних знімків

Abstract

В роботі розглянуті теоретичні та практичні підходи щодо автоматизованого оновлення топографічних карт з використанням космічних знімків. На основі проведеного аналізу історичних аспектів картографування території Іраку встановлено, що оновлення топографічних карт було ще в кінці 80-х років ХХ-го століття, а починаючи з 2000-х років кількість нових автомобільних доріг в країні почала суттєво збільшуватись, що підтвердило актуальність даної тематики. На основі аналізу характеристик космічних знімальних систем та використання знімків різної розрізненості встановлено, що для оновлення топографічних карт доцільно використовувати космічні знімки, отримані із супутників GeoEye-1, QuickBird, Ikonos, WorldView-2 - для карт масштабу 1:5000; Eros A, Eros B - для карт масштабу 1:10000; Spot-5 - для карт масштабу 1:25000; IRS 1C/1D - для карт масштабу 1:50000; Spot-4 - для карт масштабу 1:100000. Розглянуто теоретичні основи автоматизованого пошуку дорожньої мережі на космічних знімках та запропоновано загальну схему оновлення топографічних карт, згідно з якою виокремлено основні етапи визначення дорожньої мережі на картах та знімках, а також подано концептуальну схему автоматизованої технології оновлення дорожніх мереж на топографічних картах, яка заснована на сегментації растрових даних з подальшою їх векторизацією. Розроблено програмний комплекс, в якому оброблено 10 листів (аркушів) топографічних карт території Іраку в масштабі 1:50000. Виявлення доріг складає від 70% до 95%. Також визначені дороги на космічному знімку, отриманому із супутника GeoEye-1 в 2013 році на територію м. Сулейманія. Отримані такі результати ефективності виокремлення (виділення) доріг по градації: міські - 67% ; заміські - 77% ; гірські - 85%; сільські - 75%. Обчислені середні квадратичні похибки геометричних спотворень використаних топографічних карт. Найкращий результат отримано за поліноміальною моделлю третьої степені mx=7,2м та my=8,9м, що входить в допустиме значення для карт масштабу 1:50000 при скануванні карт з розрізненням 120dpi. Запропоновано та розглянуто альтернативну технологічну схему автоматизованого виділення дорожньої мережі Іраку за растровими даними, згідно з якою описано методику автоматичного виокремлення дорожньої мережі Іраку за растровими даними в ПП Erdas Imagine, яка заснована на алгоритмі неконтрольованої класифікації ISODATA. За даною методикою визначено загальну довжину доріг на космічних знімках 2003 та 2013 років, яка становить відповідно 1396 та 2544 км. Обчислений відсоток оновлення дорожньої мережі складає 45%. В результаті досліджень встановлено, що 28% гірських доріг на карті Сулейманії не відповідають дійсності та нанесені помилково, порушуючи всі картографічні правила. В работе рассмотрены теоретические и практические подходы к автоматизированному обновлению топографических карт с использованием космических снимков. Рассмотрены теоретические основы автоматизированного поиска дорожной сети на космических снимках и предложена общая схема обновления топографических карт. Представлена концептуальная схема автоматизированной технологии обновления дорожных сетей на топографических картах, основанная на сегментации растровых данных с последующей их векторизацией. Разработан программный комплекс, в котором обработаны 10 листов топографических карт территории Ирака в масштабе 1: 50000. Точность определения дорог составляет 0,7-0,95 с погрешностью 0,30-0,005. Также определены дороги на космическом снимке, полученном со спутника GeoEye-1 в 2013 году на территорию города Сулеймания. Получены следующие результаты эффективности выделения дорог по категориям: городские - 67%; загородные - 77%; горные - 85%; сельские - 75%. Вычислены среднеквадратичные показатели геометрических искажений используемых карт. Предложена и рассмотрена альтернативная технологическая схема выделения дорожной сети по растровым данным с помощью пакета Erdas Imagine, базирующаяся на алгоритме неконтролируемой классификации ISODATA. Вычисленный процент обновления дорожной сети составил 45%. В результате исследований установлено, что 28% горных дорог на карте Сулеймании не соответствуют действительности и нанесены ошибочно, нарушая все картографические правила. The purpose of the work is to improve the results of updating topographic maps from satellite images. In thesis following tasks are solved: investigation of the Republic of Iraq cartographic study, definition of the limitations and drawbacks, and the reasons why they have caused; reviewing and recommendation of space imaging system for updating topographic maps in Iraq; developing a new method of topographic maps updating from satellite images to improve the quality of updating; developing a software tools for the implementation of the proposed method; experimental evaluation of map updating via developed software; exploring alternative method for automatic selection of roads on the bitmap. Digital image processing techniques, cluster analysis, analytic geometry, raster computer graphics, mathematical statistics, cartography and GIS technology are used. The theoretical foundation and practical approaches to automated updating topographic maps using satellite images are considered in this work. Based on the analysis of historical aspects of mapping Iraq established that the last topographic maps updating was performed at the end of the 1980s. Since the 2000s the number of new roads in the country is increasing, which confirmed the actuality of researches. Analysis of characteristics of space camera systems and the scope of satellite images with different resolution shows that for updating topographic maps should be used satellite images from the satellites GeoEye-1, QuickBird, Ikonos, WorldView-2 - for maps 1: 5000; Eros A, Eros B – for maps 1: 10,000; Spot-5 – for maps 1: 25000; IRS 1C / 1D – for maps 1: 50000; Spot-4 - for maps 1: 100000. The theoretical foundations of computer-aided search of the road network on satellite images are considered. General scheme for topographic maps updating is proposed. The main stages of extraction of road network on raster maps and satellite images are defined. The conceptual scheme of automated technology for road networks updating is presented. This technology is based on raster data segmentation with subsequent vectorization. The task of raster topographic map updating via satellite images is formulated, stages of its decision are defined. Schemes of road network selection in the raster topographic map and satellite image are shown. The task of raster topographic map clustering is formulated. For raster topographic map segmentation k-means algorithm is used. To locate objects of the road network on the satellite image a modified method is used. This method uses filter with finite impulse response. To selection of linear fragments of road network, the scanning algorithm is applied. Limitations of this approach are defined. Recommendations on its use are proposed. Software system for this technology is developed. 10 sheets of Iraq topographic maps at 1: 50,000 are processed in this system. The accuracy of road selection is 0,7-0,95 with an error 0,30-0,005. Also road selection on satellite image is performed. This satellite image received from GeoEye-1 satellite in 2013 on the territory of the city Sulaymaniyah. Results of roads selection efficiency (for different road categories) are: urban - 67%; suburban - 77%; mountain - 85%; rural - 75%. Calculated mean square errors for geometric distortion of used topographic maps. The best result obtained by a third degree polynomial model: mx =7,2m, my = 8,9m. These values do not exceed the allowable values for maps of scale 1: 50,000, which is 10m in distinguishing scan 120dpi. Alternative technological scheme for automated road network selection in Iraq raster data is proposed and considered. This technological scheme uses Erdas Imagine software. The technology is based on uncontrolled classification algorithm ISODATA. By this method a total length of roads on the satellite images in 2003 and 2013 is calculated. This length is respectively 1,396 and 2,544 km. The calculated percentage of updating road network is 45%. As a result of studies found that 28% of mountain road on Sulaymaniyah map are untrue and applied wrongly, with cartographic rules violation. The methodology and results of the research can be used in public and private development organizations, enterprises and firms that are engaged in updating topographic maps both in Iraq and in Ukraine. This technology is recommended for implementation in state cartographic institutions of Iraq.