Основные этапы автоматизированной обработки цифровых видеоданных
Введение в аэрокосмические методы
Аэрокосмические методы - группа дистанционных методов с использованием летательных, воздушных и космических аппаратов. Внутри них выделяют группу аэрометодов и группу космических методов.
Аэрометод - это визуальный метод наблюдения с применением фото- и видеотехники с летательных аппаратов. Результат - аэрофотоснимки. Данный метод был основным методом топографической съемки
Использование снимков земной поверхности для составления топографических и тематических карт началось уже с конца XIX века. Карты составляются на основе материалов аэрофотосъемки. Методология обработки и дешифрирования этого типа информации давно и хорошо проработана. Обновление методологии началось с появлением космических съемочных систем и мощных вычислительных комплексов.
Если рассмотреть весь диапазон длин электромагнитных волн солнечного излучения – энергетический спектр, то оказывается, что проявление указанных выше эффектов не одинаково для разных его участков. На некоторых длинах волн атмосфера оказывается совершенно «непрозрачной», поскольку все излучение рассеивается или поглощается ее различными компонентами. Получение информативных космических изображений земной поверхности требует, таким образом, учета прозрачности атмосферы в разных зонах энергетического спектра.
Полный диапазон длин волн энергетического спектра солнечного излучения, в котором выполняется съемка, принято подразделять на несколько интервалов, соответствующих окнам «прозрачности» атмосферы.
|
|
|
Оптический диапазон 0,3 – 15 мкм. В этом диапазоне регистрируется солнечное излучение, отраженное от земной поверхности. Системы, регистрирующие такое излучение, называются системами пассивного зондирования. К оптическому диапазону относится видимый диапазон (0,38 – 0,72 мкм) и инфракрасный диапазон (0,7−15 мкм). Заметим, что границы между диапазонами достаточно условны и частично перекрываются, поэтому в разных литературных источниках они могут немного отличаться. До 0,38 мкм – ультрафиолетовый диапазон; большая часть энергии в этом диапазоне поглощается в озоновом слое атмосферы, поэтому использование данного диапазона для съемки земной поверхности не эффективно. В инфракрасном диапазоне обычно выделяют 0,7−1,5 мкм − ближний инфракрасный (используется английская аббревиатура NIR или русская БИК); 1,5−3 мкм − коротковолновый инфракрасный (используется английская аббревиатура SWIR или русская КИК); 3−8 мкм − средневолновый инфракрасный (используется английская аббревиатура MWIR); 7−15мкм − длинноволновый инфракрасный (используется английская аббревиатура LWIR). В диапазонах 0,7−3 мкм преобладает отраженное солнечное излучение, в диапазонах 7−15 мкм – собственное тепловое излучение земной поверхности. Между 3 и 7 мкм находятся полосы интенсивного поглощения солнечной энергии водяными парами в атмосфере. То есть количество отраженной от земной поверхности солнечной энергии крайне мало, и использование этого диапазона для съемки неэффективно. Соответствие интервалов длин волн участкам определенного цвета в видимом диапазоне (0,4−0,7мкм) носит условный характер.
|
|
|
В коротковолновой части оптического диапазона прозрачность атмосферы снижается из-за молекулярного рассеяния (рассеяние Рэлея). Именно поэтому воздушная оболочка Земли кажется нам голубой. В оптическом диапазоне имеются также узкие участки поглощения солнечного излучения кислородом, аэрозолями и водяными парами. По всем указанным причинам большая часть современной космической аппаратуры дистанционного зондирования выполняет съемку земной поверхности одновременно в нескольких зонах энергетического спектра, которые обычно называют каналами (bands). Полученные при такой съемке изображения называют многозональными или, иначе, мультиспектральными изображениями.
|
|
|
Первой отечественной многозональной космической аппаратурой, осуществлявшей съемку в нескольких диапазонах спектра, были многозональные фотокамеры (МСК-4, МКФ-6). В каждом диапазоне получалось свое черно-белое (панхроматическое) изображение. Эти изображения совмещались с помощью меток-крестов и далее дешифрировались визуально-инструментальными методами, в том числе с использованием псевдоцветных изображений, синтезированных на специальной аппаратуре. Использовалась также спектрозональная съемка на специальную двухслойную или трехслойную пленку с чувствительностью к определенным диапазонам длин волн. При космической съемке наиболее часто применялась пленка СН-10, имевшая два слоя, чувствительных в красной и ближней ИК-зонах. При печати позитива, слой, чувствительный в ближней ИК-зоне, инвертировался в зеленый цвет. В силу спектральных отражательных свойств растительного покрова, такие изображения напоминали обычные цветные снимки, но без голубых оттенков.
Гиперспектральные изображения – новый и наиболее перспективный вид многозональных изображений, получаемых одновременно в большом количестве узких зон спектра. Гиперспектральная съемка позволяет наиболее точно описывать отражательную способность объектов земной поверхности в зависимости от длины волны, что значительно расширяет возможности прикладного дешифрирования. Однако полноценное использование таких данных требует специальных методов обработки и анализа. При гиперспектральной съемке существенно возрастают требования к калибровке аппаратуры, предварительной обработке и учету влияния атмосферы. Кроме того, использование одновременно всех каналов гиперспектрометра не всегда эффективно.
|
|
|
Основные этапы автоматизированной обработки цифровых видеоданных
В современной методологии тематического анализа аэрокосмической информации можно условно выделить два основных подхода:
1) количественный;
2) визуально-интерактивный
Количественный подход был изначально нацелен на цифровую обработку видеоданных для получения точных и объективных количественных характеристик изучаемых объектов или процессов. Анализ в этой методологии применяется к каждому отдельному пикселю изображения, что обеспечивает более точный и объективный результат решения задачи. Некоторые из таких задач базируются на расчетных физических моделях и комплексных синхронных измерениях необходимых параметров либо в процессе проведения подспутниковых экспериментов, либо с использованием бортовой аппаратуры соответствующего назначения. Одной из таких задач является, например, мониторинг лесных пожаров.
Визуально-интерактивные технологии используют традиционную методологию визуально-инструментального дешифрирования. Она основывается на анализе изобразительных характеристик территории, которые чаще всего являются косвенными признаками (индикаторами) изучаемых процессов и явлений. Появление специализированных инструментально-программных пакетов для обработки аэрокосмической информации позволило автоматизировать отдельные этапы визуального дешифрирования, но выделение объектов исследования по-прежнему выполняется в интерактивном режиме специалистом в конкретной предметной области.
Независимо от того, какой подход преобладает в конкретном прикладном направлении, процесс тематической обработки видеоинформации можно разбить на ряд этапов, общих для всех современных автоматизированных технологи:
1. Радиометрические процедуры. Сюда относятся процедуры исправления искажений, обусловленных особенностями съемочной аппаратуры и внешними условиями съемки. Устранение шумов, внесенных системами получения, записи и передачи данных; преобразование значений данных в физические единицы – это радиометрическая коррекция (учет внутренних факторов). Внесение поправок на изменения освещенности, топографии, атмосферных условий – это радиационная коррекция (учет внешних факторов). Основная часть радиометрических преобразований выполняется в центрах приема и сбора информации (так называемая межотраслевая обработка). Но специалисты по прикладному дешифрированию в некоторых случаях выполняют ее сами. Иногда это обусловлено экономическими соображениями, иногда – специфическими требованиями к предобработке в конкретной прикладной задаче. Во многих пакетах тематической обработки имеются процедуры радиометрической коррекции изображений с наиболее распространенных типов аппаратуры.
2. Геометрические преобразования. К данной группе процедур относятся два типа преобразований: 1) устранение систематических искажений, обусловленных характеристиками датчика или бортовой платформы; 2) геометрические преобразования, обеспечивающие приведение видеоданных к требуемой системе координат.
Первый тип геометрических преобразований можно также отнести к процедурам предварительной обработки. Чаще всего необходимость таких преобразований обусловлена изменением пространственного разрешения или смещением пикселей по строке или по направлению полета.
Второй тип геометрических преобразований необходим, например, при составлении мозаик изображений или при визуально-инструментальном дешифрировании больших участков территории. Если же в процессе тематического дешифрирования используется классификация по спектральным признакам, то геометрические преобразования лучше выполнять после тематической обработки изображения. При трансформировании изображения пересчет значений пикселей к узлам прямоугольной сетки в новой системе координат может привести к непредсказуемому искажению спектральных характеристик объектов. Такая последовательность процедур обычно применяется во всех задачах, решаемых на основе уже упомянутого количественного подхода. Но если в процессе анализа используются данные наземных обследований или материалы разновременной съемки, приведение видеоданных к требуемой системе координат выполняется до начала тематической обработки для точной пространственной привязки этих данных к изображению.
3. Визуально-интерактивный анализ данных. Основной задачей визуально-интерактивного анализа является выделение дешифровочных признаков объектов и оценка информативности данных конкретного типа для поставленной задачи.
4. Статистический анализ данных. Наибольшее значение статистический анализ видеоданных имеет в количественном подходе. На его основе формируется технология тематической классификации, определяется перечень классов, надежно разделяющихся автоматическими методами, и выбираются методы автоматической классификации, обеспечивающие наиболее качественный итоговый результат. К процедурам статистического анализа относятся: анализ гистограмм изображения по каналам; при работе с многозональными изображениями анализ диаграмм рассеяния значений пикселей в многомерном пространстве яркостей, изучение взаимного положения образов исследуемых объектов в отдельных динамических диапазонах и многомерном пространстве яркостей.
5. Тематическая классификация. Под тематической классификацией подразумевается преобразование исходного изображения в тематический слой, где каждому пикселю исходного изображения сопоставлен индекс, соответствующий определенной категории объектов земной поверхности. Это тематический слой путем последующего редактирования и сегментации может быть доведен до тематической карты. Составление тематической карты в визуально-интерактивном режиме состоит в прослеживании линейных и оконтуривании площадных объектов, после чего каждому пикселю в пределах линии или контура приписывается соответствующий индекс. Однако такой процесс очень трудоемок и при выполнении любых количественных (например, площадных) оценок, не гарантирует необходимой точности и, главное, объективности результата. У каждого дешифровщика свое индивидуальное восприятие цвета, тона и, возможно, своя система описательных признаков. Поэтому даже в традиционных методологиях дешифрирования все чаще используются автоматические методы классификации изображений, хотя бы в качестве промежуточных или вспомогательных средств анализа.
6. Интерпретация и представление результатов тематической классификации. В современных технологиях для представления результатов тематической обработки космических изображений используются средства топологического пространственного анализа, который называют ГИС-анализом. К топологическим отношениям между объектами, которые используются при ГИС-анализе, относятся примыкание, вложенность, пересечение и некоторые другие.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 72; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!