Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

Przegląd wybranych metod cyfrowego przetwarzania zdjęć satelitarnych.

…

I Istota przetwarzania cyfrowego zdjęć.

Przetwarzanie cyfrowe zdjęć można określić jako techniki analizy komputerowej zdjęć w

postaci cyfrowej. Znajduje ono zastosowanie w wielu dziedzinach często dość odległych, jak na

przykład medycyna czy astronomia. Teledetekcja obejmuje szczególny rodzaj zastosowań, które

dotyczą przetwarzania zdjęć powierzchni Ziemi wykonanych z pułapu satelitarnego a także

lotniczego. Zdjęcie takie jako obraz rzeczywistej powierzchni Ziemi jest dyskretną reprezentacją

zmienności (w sensie przestrzennym, fizykochemicznym, itp.) danej powierzchni wyrażonej w

wielkości odbitej lub emitowanej energii.

Rejestrację zdjęcia (najczęściej skanerem) cechują:

przyjęty model geometryczny,

określone przedziały spektralne,

czas rejestracji,

skończona liczba poziomów, w które skwantowana jest energia dochodząca do

detektora (odbita lub wypromieniowana).

Wielkość skwantowanej energii odbitej lub emitowanej przez dany rodzaj powierzchni

rozpatrywana w poszczególnych zakresach (kanałach) rejestracji nawiązuje w sposób

bezpośredni do charakterystyk spektralnych obiektów współtworzących daną powierzchnię.

Należy dodać, iż zdjęcie w postaci cyfrowej (jako przedmiot analizy) może być także wynikiem

zwykłego skanowania już istniejącego zdjęcia jako produktu fotograficznego. Stąd wynika

bardziej uniwersalne zastosowanie istniejących algorytmów przetwarzania cyfrowego.

Podstawowym celem przetwarzania cyfrowego zdjęć jest ułatwienie pozyskania bądź

bezpośrednie pozyskanie określonej kategorii informacji.

W sensie numerycznym główna idea przetwarzania cyfrowego sprowadza się do

sekwencyjnego ‘przeliczania’ wartości radiometrycznych elementów składowych obrazu tj.

pikseli z wykorzystaniem zadanego algorytmu.

Rezultaty tak wykonanych obliczeń są zachowywane w pamięci komputera, formując

zarazem nowy obraz cyfrowy, który może być:

finalnym produktem zawierającym przydatną informację

wyświetlony na ekranie i poddany analizie wizualnej,

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

utrwalony w postaci wydruku,

poddany dodatkowym etapom przetwarzania.

Niezależnie od możliwości jakie daje analiza cyfrowa, w większości aplikacji wykorzystuje się

także elementy interpretacji wizualnej w poszczególnych etapach przetwarzania. Potwierdza to

komplementarność omawianych metod analizy.

Przetwarzanie cyfrowe danych teledetekcyjnych obejmuje całą gamę różnorodnych technik,

które stanowią różne (co do celu i przeznaczenia) metody analizy obrazu. Obok

wzmacniania obrazu głównie dla celów późniejszej interpretacji dominuje pozyskiwanie

informacji tematycznej o pokryciu terenu poprzez różne odmiany klasyfikacji zdjęć

wielospektralnych. Istotne znaczenie przypisuje się również pozyskiwaniu charakterystyk

biofizycznych jak na przykład wskaźniki zawartości biomasy, wilgotność, temperatura itp.

…

II Metody przetwarzania cyfrowego.

1. Przetwarzanie wstępne.

Nazwa przetwarzanie wstępne wskazuje na fakt, iż mieszczą się tu procedury, które z reguły

(choć nie zawsze) są wykorzystywane na etapie poprzedzającym właściwe przetwarzanie

obrazów.

Procedury te korygują cyfrowe zdjęcie satelitarne z uwagi na zniekształcenia

(degradacje) w zakresie zarówno radiometrii jak i geometrii obrazu powstałe w trakcie

rejestracji

W rezultacie uzyskuje się (odtwarza) możliwie poprawną postać zdjęcia w granicach

określonych norm dokładności. Występujące zniekształcenia mogą mieć charakter przypadkowy

lub systematyczny.

Do głównych źródeł zniekształceń należy zaliczyć:

odchylenia od nominalnych parametrów pracy skanera (jak niestabilność

charakterystyk detektorów) i urządzeń towarzyszących,

niestabilność parametrów trajektorii satelity,

wpływ atmosfery,

wpływ rzeźby terenu (znaczące deniwelacje).

krzywizna i ruch obrotowy Ziemi

Stacje odbioru i przetwarzania danych wykonują standardowo korekcje w podstawowym

zakresie, który obejmuje zasadniczo eliminację błędów o charakterze systematycznym zarówno

w odniesieniu do geometrii (w szczególności z tytułu parametrów lotu satelity oraz zakrzywienia

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

i ruchu obrotowego Ziemi) jak i radiometrii (korekcja wartości pikseli w oparciu o dane z

kalibracji detektorów).

Rodzaj i zakres korekcji przeprowadzanych w dalszej kolejności przez użytkownika

danych jest ściśle uzależniony od rodzaju i wymogów danej aplikacji, w której dane mają

zastosowanie oraz od dostępności danych pomocniczych (pomiarowych) wymaganych w

możliwej do zastosowania metodzie korekcji. Istotna jest przy tym znajomość określonych

uwarunkowań, które nabierając znaczenia w przypadku danej aplikacji decydują o

potrzebie przeprowadzenia stosownych korekcji. Korekcje te dotyczą zarówno radiometrii,

jak i geometrii obrazu.

…

Korekcja zniekształceń geometrii zdjęcia możliwa do przeprowadzenia przez użytkownika

sprowadza się do wykorzystania zasadniczo jednego z dwóch podejść:

opracowanie i wykorzystanie w procedurze korekcyjnej modelu ujmującego

poszczególne źródła zniekształceń, ich naturę oraz wielkość,

stworzenie matematycznych relacji (w postaci wielomianu określonego stopnia)

między położeniem pikseli zdjęcia a położeniem odpowiadających im

odpowiedników terenowych. Tak uzyskana relacja posłuży do korekcji danych

bez konieczności wnikania w źródła i naturę obecnych zniekształceń.

Wadą pierwszej propozycji jest konieczność znajomości źródeł zniekształceń oraz wymóg

korzystania z modelu, który często jest dość złożony.

Drugi sposób jest powszechnie znanym i stosowanym podejściem. Określany jest mianem

geometryzacji zdjęcia w postaci cyfrowej, którą przeprowadza się w oparciu o tzw. punkty

kontrolne (czyli odpowiedniki w terenie wybranych punktów ze zdjęcia), dla których

współrzędne najczęściej pozyskuje się z mapy bądź mierzy w terenie z wykorzystaniem np.

odbiornika GPS. Operacja ta pozwala nie tylko na eliminację zniekształceń geometrii danego

zdjęcia, ale co ważne, jest równocześnie operacją geokodowania obrazu cyfrowego. Często ten

drugi aspekt jest decydujący z uwagi na potrzebę włączenia przetwarzanego zdjęcia, bądź

finalnego produktu przetwarzania do bazy danych GIS. Chociaż geometryzacja jako procedura

jest częścią przetwarzania wstępnego to jednak nie zawsze musi być wykonywana zgodnie z tą

kolejnością.

W procesie geometryzacji wyróżnić można dwa etapy:

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

1. uzyskanie równań transformujących w postaci wielomianu w oparciu o punkty

kontrolne,

2. redystrybucja

pikseli według zależności wynikających z wielomianu

transformującego z określeniem nowych wartości pikseli wybraną metodą

interpolacji w nowo tworzonym obrazie, (inaczej przepróbkowanie; resampling,

ang.)

Poprzez stosowanie resamplingu jako swoistej odmiany transformacji w odniesieniu do

atrybutu, geometryzacja powoduje często pewne zmiany w wewnętrznej spójności

radiometrycznej pikseli co dla pewnych kategorii przetwarzania stosowanych w dalszej

kolejności nie zawsze jest korzystne. Zatem jeśli przetwarzana jest tylko jedna scena bez

włączania danych z innych źródeł, to geometryzacji poddawany jest z reguły produkt finalny.

Pewnym wariantem geometryzacji jest przyjęcie jako odniesienia innego obrazu satelitarnego

zamiast mapy.

Osobnym zagadnieniem są zniekształcenia w postaci przesunięć pikseli z tytułu rzeźby

terenu. Nie są one usuwane w trakcie geometryzacji zdjęcia i jeśli są istotne z punktu

widzenia stawianych kryteriów dokładności, ich wyeliminowanie wymaga odrębnych

procedur wykorzystujących numeryczny model rzeźby terenu. Na przykład dla zdjęcia

Landsat TM potencjalne przesunięcie dla piksela na skraju sceny może wynieść 10m na każde

100m przewyższenia terenu względem średniej wysokości sceny, a dla sceny SPOT w

zobrazowaniu nadirowym - 4m (PCI Geomatics, 1999). Liczby te przekonują, iż dla scen

poza obszarami górskimi najczęściej nie ma potrzeby wykonywania korekcji zniekształceń

z tytułu rzeźby terenu.

…

2. Zwiększanie wartości informacyjnej zdjęcia.

Techniki zwiększania wartości informacyjnej zdjęcia w postaci cyfrowej mają na celu takie jego

przetworzenie aby podnieść walory interpretacyjne istotne w analizie wizualnej, a tym samym w

maksymalnym stopniu wspomóc wydobycie określonych informacji. Obejmują one zarówno

przetworzenia wykonywane na pojedynczych zakresach spektralnych jak również na zbiorach

wielospektralnych. Konkretne techniki mogą generować finalny rezultat bądź też pośrednie

wyniki wykorzystywane w dalszych etapach przetwarzania.

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

…

Wzmacnianie kontrastu.

Techniki tej grupy stosuje się do zbioru pikseli dla pojedynczego kanału. Potrzeba ich

stosowania wynika z faktu, iż rozkład poziomów szarości pikseli zarejestrowany w

danym przedziale spektrum ma tendencję do zajmowania stosunkowo wąskiego

przedziału na skali szarości [0 do 255], co po wyświetlaniu takiego zbioru daje nisko

kontrastowy obraz. Pełnię informacji o statystycznym rozkładzie wartości

radiometrycznych pikseli tworzących dany obraz przedstawia histogram tj. wykres (lub

tabela) ilustrujący liczbę pikseli w poszczególnych przedziałach wartości (jaskrawości)

pikseli. Analiza histogramu jest podstawą do oceny jakości obrazu i jest pomocna w

doborze parametrów wzmacniania kontrastu. W obrębie omawianej grupy technik

wzmacniania (rozciągania) kontrastu znajdują się funkcje: liniowe, nieliniowe, funkcja

oparta na wyrównaniu histogramu (uwzględniająca częstość występowania pikseli),

kombinacje wymienionych procedur, itp. Rozciąganie kontrastu ma cechy operacji

punktowej tj. odniesionej tylko do jednostkowego piksela bez uwzględniania jego

otoczenia.

Nieodłącznym pojęciem i zarazem elementem technicznym towarzyszącym omawianym

tu procedurom jest tablica przeglądowa (ang. LUT – look up table). Wyraża ona relację

między poziomami wartości pikseli obrazu przed przetworzeniem a odpowiadającymi im

wartościami pikseli obrazu powstałego w wyniku zastosowania określonej funkcji

wzmacniania. Istotną zaletą jest możliwość zapisu w postaci LUT efektu zastosowania

danej funkcji wzmacniania dla określonego obrazu bez konieczności tworzenia nowego

zbioru (obrazu). Upraszcza to i wyraźnie przyspiesza, zwłaszcza w trybie

interaktywnym, poszukiwanie optymalnej funkcji wzmacniania kontrastu. LUT ma także

inne, szersze zastosowanie wykraczające poza omawiane tu procedury.

Nieco odmienny typ procedur, ale często jeszcze umieszczany w omawianej kategorii

dotyczy operacji progowania oraz grupowania zadanych poziomów szarości pikseli w

przedziały (ang. density slicing), którym w trakcie wyświetlania (bądź wydruku) dla

celów interpretacyjnych nadaje się określone kolory.

W części eksperymentalnej niniejszej pracy zastosowano typowe procedury wzmacniania

kontrastu dostępne w oprogramowaniu PCI. Najlepsze wyniki w tworzeniu kompozycji

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

barwnych uzyskano stosując wyrównanie histogramu oraz funkcje logarytmiczną i

pierwiastka kwadratowego

...

Kompozycje barwne.

Kompozycja barwna jest obrazem barwnym powstałym w wyniku złożenia i

równoczesnego wyświetlenia na ekranie trzech różnych kanałów ze zbioru danych

wielospektralnych. Programowo wykorzystywane są odpowiednie funkcje sterujące

grafiką, które pozwalają na przypisanie każdego z łączonych kanałów do jednej z barw

podstawowych w systemie graficznym RGB. Barwę dla danego piksela kompozycji

determinują jego wartości radiometryczne z poszczególnych łączonych kanałów, jako

współrzędne w systemie RGB. Kompozycja w ujęciu cyfrowym jest pełną analogią do

tworzonej w ujęciu analogowym kompozycji barwnej z wykorzystaniem przeglądarki

addytywnej gdzie obraz barwny kompozycji jest wynikiem łączenia (w tym przypadku

rzutowania na wspólny ekran) pojedynczych obrazów z trzech czarno-białych wyciągów

spektralnych w formie diapozytywów rejestrowanych w różnych zakresach, przy czym

każdy z wyciągów jest oświetlony inną barwą światła z zestawu barw RGB.

Pomimo, iż kompozycja barwna została tu wyróżniona jako technika wzmacniania należy

podkreślić, że w literaturze przedmiotu często jest również widziana jako sposób

prezentacji (wizualizacji) zbioru wielospektralnego.

W klasycznym podejściu kompozycję tworzy się w oparciu o standardowy zestaw

kanałów w danym systemie np. Landsat TM. Etapem poprzedzającym bezpośrednie

połączenie wybranych trzech kanałów w kompozycję barwną jest poprawa jakości ich

obrazów poprzez zastosowanie procedury wzmacniania kontrastu. Połączenie surowych

(nieprzetworzonych) kanałów daje bowiem w rezultacie obraz rzadko przydatny do

jakiejkolwiek dalszej pracy.

Bogactwo kolorystyki obrazu kompozycji odzwierciedla różnorodność spektralną

współtworzących go obiektów. Interpretacji obrazu kompozycji barwnej wykonanej

cyfrowo można dokonać bezpośrednio na ekranie monitora lub wykorzystując postać

analogową (papierową) po uprzednim wydrukowaniu na dobrej klasy drukarce bądź

ploterze.

Zróżnicowany charakter odbicia spektralnego ma swój wyraz w różnorodnej gamie

kolorów tychże obiektów ujawniającej się na kompozycji. Wychodząc ze znajomości

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

charakterystyk spektralnych obiektów, które są przedmiotem analizy na określonej

kompozycji, można dostrzec istniejący logiczny związek między doborem kanałów do

kompozycji, kolejnością przyporządkowania im barw RGB a wynikową kolorystyką

danych obiektów na utworzonej kompozycji. Informacja o tym z jakich kanałów

utworzono daną kompozycję, jakie przypisano im barwy w systemie RGB, w zestawieniu

ze znajomością charakterystyk spektralnych obiektów jest podstawą do rozpoznawania

rodzaju pokrycia terenu na podstawie zróżnicowania barw widocznych na kompozycji.

Omawiane zależności są w prosty sposób czytelne jeśli zastosowana procedura

wzmacniania jakości kanałów składających się na kompozycję zachowuje w podobnym

stopniu w odniesieniu do wszystkich trzech kanałów względne różnice między obiektami

wynikające ze zróżnicowania odbicia promieniowania. Wybór funkcji poprawiającej

jakość kanałów, a zwłaszcza sposób potraktowania kanałów (wszystkie kanały

przetwarzane jednym rodzajem funkcji lub różnymi) decyduje zatem o kluczu do

rozpoznawania obiektów na podstawie ich kolorów. Dlatego też do poprawnej

interpretacji kompozycji barwnej należy znać również funkcje zastosowane przy

przetwarzaniu poszczególnych zakresów (kanałów).

Wyróżnia się ogólnie kompozycje w barwach naturalnych i nienaturalnych. Kompozycje

w barwach naturalnych uzyskujemy przez połączenie trzech kanałów zarejestrowanych

odpowiednio w paśmie niebieskim, zielonym i czerwonym, przypisując im składowe

barwne odpowiednio: B, G, R. Inny sposób przypisania barw RGB jak również wybór

innego zestawu kanałów daje w efekcie kompozycję w barwach nierzeczywistych. W

praktyce wykorzystującej kompozycje barwne utrwaliły się jako stosunkowo często

wykorzystywane pewne kombinacje zakresów spektralnych. I tak dla zdjęć Landsat TM

są to:

kompozycja w barwach naturalnych (tm1-b, tm2-g, tm3-r),

kompozycja w barwach nierzeczywistych (tm2-b, tm3-g, tm4-r), znana jako

kompozycja standardowa dla TM,

kompozycja w barwach pseudonaturalnych (tm2-b, tm4-g, tm3-r).

Kompozycja barwna ma istotne zalety w analizie wizualnej. Zawiera znacznie więcej

informacji jako ilustracja trójwymiarowej przestrzeni spektralnej (którą tworzą

zarejestrowane kanały) w odróżnieniu od przetworzenia jednokanałowego. Prezentacja

barwna daje przy tym większe możliwości na etapie analizy wizualnej z uwagi na lepszą

percepcję barwy niż odcieni szarości.

Oprac. na podst. tekstu źródł.: Zastosowanie teledetekcji i GIS do zwiększenia dokładności opisu struktury przestrzennej obszaru zlewni ; rozprawa doktorska - Chmiel J., ...

Transformacje wielokanałowe.

…

wskaźniki biofizyczne (jak roślinności, wilgotności),

…

Wskaźniki biofizyczne. Zarówno postać określonego wzoru jak i wiedza niezbędna do

interpretacji danego wskaźnika (w postaci obrazu) nawiązują do podstaw teoretycznych z

zakresu właściwości fizycznych obiektów jak również do charakterystyk spektralnych.

Do szeroko znanych i stosowanych należą wskaźniki roślinności, które stanowią obrazy

szczególnie podkreślające obecność i kondycję roślinności. W większości znanych

wzorów określających wskaźnik roślinności występują jako zmienne wartości

radiometryczne w kanale podczerwonym i czerwonym. Ta prawidłowość ma swoje

uzasadnienie w charakterystykach spektralnych. Właściwie dobrana postać wzoru dla

tych dwóch rozważanych kanałów wzmacnia istniejące między nimi różnice przy

jednoczesnym wygaszaniu podobieństw. W szczególności zwiększa to zróżnicowanie

między roślinnością i powierzchniami bez roślinności. Najprostszy wskaźnik roślinności

ma postać ilorazu: kanał podczerwony / kanał czerwony. Jest to zarazem przykład tzw.

wagowania zdjęć. W szerszym znaczeniu powstałe w ten sposób obrazy jako stosunki

ilościowe zarejestrowanej odpowiedzi spektralnej dla różnych kanałów (pasm) danej

sceny lub tych samych kanałów z różnych scen mają dwie istotne zalety. Pierwsza to

wydobycie tych informacji, które są niewidoczne w pojedynczych kanałach. Druga nie

mniej ważna niekiedy zaleta to istotna redukcja wpływu zmienności tzw. warunków

środowiska (z tytułu: rzeźby, sezonowych zmian w oświetleniu) na poprawność wartości

radiometrycznej pikseli tych samych obiektów. W praktyce spośród różnych formuł

najczęściej stosowany jest wskaźnik roślinności w postaci znormalizowanej: (IR – R) /

(IR + R), gdzie: IR - kanał podczerwony, R – czerwony.

…

Do bardziej złożonych należą wskaźniki oparte na więcej niż dwu kanałach (zakresach)

spektralnych. Przykładem jest transformacja znana w literaturze jako Tasselled Cap Index

dająca w wyniku składowe (wskaźniki), które są przydatne zarówno w charakterystyce

szaty roślinnej jak i pokrywy glebowej.

…