Nekonvenční metody snímání zemského povrchu Specifika nekonvenčních metod • Odlišná technika vytváření obrazu - obraz je vytvářen postupně po j'ednotlivých obrazových prvcích (pixelech) • Velké spektrální rozlišení, (fotografické metody 0,3 až 0,9 mikrometrů), nekonvenční (od 0,3 do 14 mikrometrů). • Omezené prostorové rozlišení - rozměr obrazového prvku se pohybuje v intervalu od jednotek metrů do několika desítek či stovek metrů. • Registrace v dynamickém režimu a specifické formy geometrických zkreslení. • Nosiče se pohybují po předem definovaných drahách, obrazové záznamy jsou zaznamenávány elektronicky, a jsou snáze porovnatelné • Zaznamenávání obrazových záznamů v digitální (číslicové) podobě umožňuje automatizovat některé kroky jejich zpracování a kombinaci s jinými digitálními daty v GIS. Televizní systémy snímané uzemí 185 x185 km i^J směr pohybu družice Představovaly přechod mezi klasickými fotografiemi a snímacími rozkladovými zařízeními. Pracovaly ve viditelném a infračerveném oboru spektra. Televizní systémy Televizního systému využívaly první meteorologické družice TIROS Vedle klasických televizních systémů lze využívat i videokamer nebo tzv. vidikonových kamer se zpětným paprskem. Systém RBV (Return Beam Vidicon) na družicích LANDSAT, snímal ve viditelnév a blízké IČ části spektra. Prostorová rozlišovací schopnost byla u snímků z LANDSAT 1 a 2 kolem 80 metrů, u LANDSAT 3 kolem 24 metrů v tzv. panchromatickém módu. Měřítko originálního obrazu se pohybovalo kolem 1:7,25 mil. Fungovaly například také na sovětských družicích METEOR, přístroje nesly označení MSU. Snímací rozkladová zařízení Přístroj obsahuje měřící prvek - radio metr, který měří radiaci z určité elementární plochy zemského povrchu v určitém intervalu spektra. Velikost této plochy je dána jednak technickými parametry snímacího zařízení, jednak konfigurací celého systému -především výškou letu nosiče. Téměř všechny systémy dnes pracují jako multispektrální - tedy vytvářejí několik obrazových záznamů snímaného území v několika intervalech spektra Používané detektory radiometrů lze rozdělit na tepelné (množství dopadající energie je přímo úměrné změně teploty čidla) a detektory fotonové (zaznamenávají intenzitu dopadajících fotonů) a j sou přesnější. Výstupní signál je zaznamenáván v určitém počtu úrovní - v tzv. dynamickém rozsahu. Obrazová data zaznamenaná v 256 úrovních se označují jako 8-bitová. Příčné skenování (mechanooptický) skener rotující zrcadlo smer pohybu Snímací přístroje IL Skener - vytváří obrazový záznam, který vzniká po částech (obrazových prvcích). Měřícím prvkem přístroje je tzv. radiometr. Podélné skenování (elekotooptický) skener smer pohybu série CCD detektorů Digitální kamery Nezobrazující zařízení • profilové radiometry • výškomery (altimetry) • rozptyloměry (skaterometry) Geometrické vlastnosti obrazových záznamů Odlišný způsob vytváření obrazu oproti letecké fotografii vnáší do výsledného obrazu jiná geometrická zkreslení • tangenciální změny měřítka • kolísání velikosti obrazového prvku • relativní změny v poloze objektů v důsledku jejich různé výšky .£' :fr -^ J^" Tangenciální změny měřítka Ve směru kolmém na pohyb nosiče se mění rozměr obrazového prvku a následně se deformují tvary zobrazených objektů konstantní úhlová rychlost rotujícího zrcadla letecká fotografie \ N ' N N \ Q . - \ \ \ \ \ \ v v \ O \ \ ' > \ \ N \ <^=T Ši, ^x N 5 . X\ ^-ö h-^äg smer pohybu Kolísání velikosti obrazového prvku skenovaná řádka smer pohybu Princip kolísaní velikosti obrazového prvku příčně skenovaného obrazového záznamu Poziční chyby v poloze objektů Relativní změny v poloze objektů jsou způsobeny jejich různou nadmořskou výškou letecká fotografiE stanovaný abr. zaznani 1 i smůr pohybu Porovnání efektu relativní změny v poloze objektů na letecké fotografií (a) a skenovaném záznamu (b) Družicové systémy • Většina družic pořizuje obrazová i neobrazová data metodami dálkového průzkumu delší dobu • Nejedná se pouze o jednu družici, ale o družic několik, které mají z hlediska kompatibility pořizovaných obrazových záznamů, z hlediska technických parametrů nosiče i z hlediska parametrů snímacího zařízení podobné vlastnosti. • Tyto jsou pak označovány jako družicové systémy • Základní vlastností, která ovlivňuje většinu dalších parametrů systému je oběžná dráha družice. Oběžné dráhy družic 1 dráhy rovníkové 1 dráhy šikmé 1 dráhy subpolární Dráhu charakterizuje především výška a inklinace GOMS (RUSSIA) 76"E 3 Subpolární oběžná dráha Družice pro výzkum přírodních zdrojů Země (LANDSAT, SPOT, TERRA, Přelety družic LANDSAT nad ČR Šířka scény 185 km Přelety družic SPOT nad ČR *■<. / jtt.-n/iK j Šířka scény 60 km Velikost scény pro vybrané družicové systémy Systém pozemních přijímacích stanic družic LANDSAT příjem zpráv o stavu družice vysílání povelů příjem snímků Vznik digitálního obrazového záznamu 1 2 3 4 1 Digitální snímek P, '-■ | 170 238 5 í 255 221 0 68 136 17 170 118 68 ■} 221 0 238 136 0 255 -* 119 255 5r> 170 13S 238 "55 I" 221 6« 116 755 ^r. 170 119 221 17 136 Digitální s obrazovýc číslo - tot snímek se sklác h prvků (pixelí o číslo j'e preze lá il-nt z množství tzv. Každý pixel nese jedno ováno jako odstín šedi Vlastnosti digitálního snímku Obrazový záznam charakterizují čtyři základní druhy rozlišovacích schopností: 1. Radiometrické rozlišení 2. Spektrální rozlišení 3. Prostorové rozlišení 4. Časové rozlišení Radiometrické rozlišení 'ftrířjj '■'■■-; J ifrV" ~> Udava počet úrovni, do nichž je obraz zaznamenán 6-bitů (64 úrovní) (O) ® (Ö) LANDSAT MSS 4 úrovně 256 úrovní 8-bitů (256 úrovní) LANDSAT TM ■» 10-bitů (1024 úrovní) NOAA - AVHRR Reálná čísla 32 tis., komplexní čísla Spektrální rozlišení • Počet vytvářených snímků v MS režimu • Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek panchromatický snímek multispektrální snímky hyperspektrální snímky 04 03 00 07 ■ Prostorové rozlišení Zhruba odpovídá velikosti obrazového prvku Družice METEOSAT 7 NOAA 17 QuickBird 2 LANDSAT 7 SPOT S Pixel 2,5-5 km 1,1 km 0,65 m 30 (15) m 2,5 (10) m Prostorové rozlišení Měřítko mapy a potřebná velikost pixelu 1: 5000 0,7 m QuickBird PAN 1: 10 000 1 m Ikonos PAN 1: 25 OOO 2,5 m SPOT 5 PAN 1: 50 OOO 5 - 6 m IRS-IC PAN 1: 100 000 10 m SPOT 4 PAN 1: 250 000 30 m LANDSAT TM Prostorové rozlišení Minimální velikost obrazového prvku nutná k interpretaci určitých objektů Objekt Velikost pixelu (m) jednotlivé menší budovy a cesty 2 menší silnice a vodní toky 5 hlavní silnice a bloky budov 10 Časové rozlišení Frekvence s jakou systém vytváří snímky stejného území: 1.6. 2003 17.6. 2003 3.7. 2003 16 dnů O Časové rozlišení snímků z LANDSATu Časové rozlišení - frekvence s jakou systém vytváří snímky stejného území: Družice Časové rozliš. Šířka scény Pixel METEOSAT 7 30 minut polokoule 2,5-5 km NOAA 17 12 hodin 2600 km 1,1km QuickBird 2 2-4 dny 11 km 0,65 m LANDSAT 7 16 dnů 185 km 30 (15) m SPOT 5 26 dnů 60 km 2,5 (10) m Histogram obrazu • základní způsob informace o rozložení DN hodnot v obraze • základní prostředek pro zvýraznění obrazu (úpravu kontrastu) • nástroj pro jednoduchou klasifikaci Pro prvotní analýzu jsou důležité tyto charakteristiky • tvar histogramu (počet vrcholů, lokální minima) • rozsahu zaznamenaných DN hodnot (min a max) • poloha v rámci možného dynamického rozsahu Histogram obrazu f L. 3 127 2 55 aritmetický průměr: medián: 82,6 80,0 minimum: maximum: směrodatná odchylka: 6 254 26,9 Základní způsoby vizualizace 1. černobílý obraz 2. barevná syntéza (RGB systém) 3. pseudobarevný obraz (indexové barvy) 6 Barevná kostka R 255 -^| Y bÜa Mí šedi G P* 255 Aditivní skládání barev Snímky v odstínech šedi (panchromatické snímky) Vstupní pásmo Výsledný R G B odstín 0 0 0 černá 30 30 30 tmavě šedá 128 128 128 šedá 210 210 210 světle šedá 255 255 255 bílá Barevná syntéza (multispektrální snímky) Vstupní pásma Výsledná R G B barva 0 0 0 černá 30 30 30 tmavě šedá 0 120 0 tmavě zelená 0 255 0 zelená 255 255 0 žlutá 255 255 255 bílá Syntéza v přirozených barvách 0,4-0,5 um Syntéza v nepravých barvách Snímek z infračervené části spektra Pseudobarevný režim (Snímky jako výsledky klasifikace ) Vstupní pásmo R G B Výsledná barva 0 255 255 255 bílá 1 175 125 0 světle hnědá 2 255 255 0 žlutá 90 25 96 0 tmavě zelená 91 0 255 0 zelená i 254 0 0 180 tmavě modrá 255 0 0 255 modrá 1 " r ■" 1 " 7 Obrazové soubory, systém uložení dat A A A Pásmo 1 A A A A A B B B Pásmo 2 B B B B B C C C Pásmo 3 C C C C C C Obecné obrazové formáty: BIP ABCABCABC ABCABCABC BIL AAABBBCCC AAABBBCCC BSQ AAAAAA BBBBBB CCCCCC BSQ (band sequentional) BIL (band interleaving by line) BIP (band interleaving by pixel) Kompresní algoritmy Zvyšující se nároky na objem obrazových dat jsou podmíněny následujícími faktory: • zlepšování prostorového rozlišení snímků • hyperspektrální snímání • potřeba přenosu dat (internet) Dělení algoritmů: • ztrátové a bezztrátové • symetrické a asymetrické • kompresní poměr, RMS error Objemy dat u vybraných družicových scén Družice a typ dat Rozměr scény [km] Počet Rozmer pixelu [m] Paměťové nároky [MB] LAND SAT MSS 185 x 185 4 80 30 LAND SAT TM 185 x 185 7 30 (120) 300 SPOTXS 60 x 60 3 20 27 SPOT PAN 60 x 60 1 10 36 Bezztrátové algoritmy RLE (Run Length Encoding) PCX, BMP |3|3|3|3|l|l|l|l|l|5|5|5|4|4|4|4| podle RLE algoritmu bude kódování: 34155344 Hufmannovo kódování Založeno na postupném sčítání frekvencí DN hodnot, které se v histogramu snímku vyskytují s nejmenší pravděpodobností LZW komprese - TIFF, GIF Hledá se opakovaný výskyt stejných sekvencí hodnot. Uchovává se pouze odkaz na první výskyt řetězce. Ztrátové algoritmy Fourierovy transformace, DCT - JPEG Posloupnost sin a cos funkcí (analogie analýzy časových řad ve 2D) Fraktálové komprese Vlnkové komprese MrSID - Multi-resolutiom Seamless Image Database ECW www.lizardtech.com www.ermapper.com 8