Nekonvenční metody snímání zemského povrchu Specifika nekonvenčních metod • Odlišná technika vytváření obrazu - obraz je vytvářen postupně po jednotlivých 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. Představovaly přechod mezi klasickými fotografiemi a snímacími rozkladovými zařízeními. Pracovaly ve viditelném a infračerveném oboru spektra. Snímací rozkladová zařízení Přístroj obsahuje měřící prvek - radiometr, 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 jsou 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 \ záznamové zařízeni Podélné skenování (elekotooptický) skener smer pohybu série CCD detektorů optika Digitální kamery Geometrické vlastnosti obrazových záznamů Odlišný způsob vytváření obrazu oproti letecké fotografii vnáší do výsledného obrazu jiná geometrická zkreslení Kolísání velikosti obrazového prvku skenovana radka smer pohybu Princip kolísání 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 skenovany obr, záznam smer pohybu Porovnání efektu relativní změny v poloze objektů na letecké fotografii (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 Systém pozemních přijímacích stanic družic LANDSAT Vznik digitálního obrazového záznamu • příjem zpráv o stavu družice • vysílání povelů Naměřený signál je zaznamenáván v určitém počtu úrovní - v tzv. dynamickém rozsahu. Obrazová data zaznamenaná v • příjem snímků 256 urovních se označují jako 8-bitová. 4 Digits Digitální s obrazovýc číslo - tot dní snímek 17Q 238 S,r> ?,r.B 221 0 SB 136 17 170 119 es 221 0 238 136 0 * 11B 255 86 170 135 233 73S 17 221 SB 118 ?:,:, 1T0 119 221 17 136 snímek se skládá z množství tzv. h prvků (pixelů). Každý pixel nese jedno o číslo je prezentováno 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 Udává počet úrovní, do nichž je obraz zaznamenán 6-bitů (64 úrovní) LANDSAT MSS 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 0.4|im D7|«m Blue+Grean+Red multispektrální snímky hyperspektrální snímky Blue 1 Prostorové rozlišení Zhruba odpovídá velikosti obrazového prvku Družice METEOSAT 7 NOAA 17 QuickBird 2 LANDSAT 7 SPOT 5 Pixel 2,5-5 km 1,1 km 0,65 m 30 (15) m 2,5 (10) it Prostorové rozlišení Měřítko mapy a potřebná velikost pixelu 5000 0,7 m QuickBird PAN 10 000 1 m Ikonos PAN 25 000 2,5 m SPOT 5 PAN 50 000 5 - 6 m IRS-IC PAN 100 000 10 m SPOT 4 PAN 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: Družice Časové rozliš. Šířka scény Pixel METEOSAT 7 15 minut polokoule 2,5-5 km NOAA 17 12 hodin 2600 km 1,1 km 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) • rozsah zaznamenaných DN hodnot (min a max) • poloha v rámci možného dynamického rozsahu Histogram obrazu 127 aritmetický průměr: 82,6 medián: 80,0 minimum: 6 maximum: 254 směrodatná odchylka: 26,9 255 Základní způsoby vizualizace 1. černobílý obraz 2. barevná syntéza (RGB systém) 3. pseudobarevný obraz (indexové barvy) Barevná kostka ilue + Green + Red = White B + G = Cyan B + R = Magenta G + R = Yellow 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 ěerná 30 30 30 tmavě šedá 0 120 0 tmavě zelená 0 255 0 zelená 255 255 0 žlutá 255 255 255 bílá 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 254 0 0 180 tmavě modrá 255 0 0 255 modrá Podpůrná data obrazových záznamů • georeferenční data • georeferenční body • bitové mapy • vektorová prezentace liniových prvkůl • spektrální příznaky • textové informace • zobrazovací tabulky • pseudobarevné tabulky • parametry dráhy nosiče Bezztrátové algoritmy RLE (Run Length Encoding) - PCX, BMP |3|3|,|,|l|l|l|l|l|,|,|,|4|TTTTT1 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 www. lizardtech.com ECW www.ermapper.com Snímací přístroje II. Skener - vytváří obrazový záznam, který vzniká po částech (obrazových prvcích). Měřícím prvkem přístroje je tzv. radiometr. 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 viditelné 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. Tangenciální změny měřítka Ve směru kolmém na pohyb nosiče se mění rozměr obrazového prvku a následně se deformují tvary zobrazených objektů le e k f ítoq af e \ \ 1 \ \ \ \ \ \ N \ \ \ Q \ ' \ \ / \ \ > konstantní úhlová rychlost rotujícího zrcadla skenouaný záznam příčného skeneru >- "N \ v- «5 smer pohybu Obrazové soubory, systém uložení dat formáty: 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 BIP ABCABCABC ABCABCABC BIL AAABBBCCC AAABBBCCC BSQ AAAAAA E BBBBB 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 Objemy dat u vybraných družicových scén Družice a typ dat Rozměr scény [km] Počet Rozměr pixelu [m] nároky [MB] LANDS AT MSS 185 x 185 4 80 30 LANDS AT TM 185 x 185 7 30 (120) 300 SPOT XS 60x60 3 20 27 SPOT PAN 60x60 1 10 36