1 Digitální zpracování materiálů DPZ Petr Dobrovolný Dálkový průzkum Země (DPZ) se zabývá pořizováním leteckých a družicových snímků, jejich zpracováním a analýzou za účelem tvorby topografických či tématických map. Základní pojmy Zpracování obrazu jako nedílná součást DPZ Environmental Remote Sensing Snímek není mapa. Tématické i topografické mapy lze vytvářet zpracováním snímků Snímky jako podklad pro mapování 1. Metody analogové interpretace, založené na rozpoznávání objektů a použití interpretačních znacích 2. Digitální zpracování obrazu Vznik a rozvoj DZO byl podmíněn: * Dostupností digitálních dat (1972 ­ ERTS-1) * Rozvojem výpočetní techniky Snímky zemského povrchu se stávají nejdůležitějším zdrojem prostorově lokalizovaných dat vstupujících do GIS Přednosti metod digitálního zpracování obrazu * Rychlost * Opakovatelnost * Ekonomičnost * Objektivita * Implementace metod vícerozměrné statistiky Role člověka v interpretačním procesu je však i v budoucnu nezastupitelná. Základní etapy digitálního zpracování snímků * Předzpracování obrazu Radiometrické korekce Atmosférické korekce Geometrické korekce * Zvýraznění obrazu Bodová zvýraznění Prostorová zvýraznění Vícepásmová zvýraznění * Klasifikace obrazu Klasifikace řízená a neřízená Klasifikace per-pixel a per-object * Specifika zpracování radarových a hyperspektrálních dat * Studium dynamiky jevů * Modelování s obrazovými daty * Integrace obrazových dat do GIS * PCI (EASI/PACE) (Geomatica 10.1) www.pcigeomatics.com * ERDAS Imagine (9.0) www.erdas.com * ENVI (4.5) www.ittvis.com * TNTmips (2008:74) www.microimages.com * ER Mapper (7.1) www.ermapper.com Programové prostředky pro zpracování dat DPZ (přehled hlavních zástupců) 2 PCI (EASI/PACE) - Geomatica * Modulární skladba * Soubor parametrů PRM.PRM * Nativní formát (*.PIX) * GDB (Generic Data Base) koncept * Podpora křovákova zobrazení * Grafické modelování Podpůrná (neobrazová) data pro DZO * bitové mapy (masky) * vektory * spektrální příznaky * georeferenční data * zobrazovací tabulky * pseudobarevné tabulky * georeferenční body * parametry dráhy nosiče Databáze PIX Struktura: * Obrazová data (database channels) * Segmenty 1. Segment - georeferenční 2. ... n segment (zobrazovací funkce LUT, vektor, škály indexových barev PCT, masky, signatury, text, ... ERDAS Imagine * Tři uživatelské úrovně ­ Essentials, Advantage, Professional * Vlastní rastrový formát (IMG) - BIL s hlavičkou (*.HDR) * Výborná dokumentace (DPZ i DZO) * Vazba na produkty ESRI * Množství GIS operací a analytických nástrojů * Grafické modelování * Virtual GIS * Sub pixelová klasifikace ER Mapper * Vše v jednom (jedna zastřešující nabídka) * ALGORITMUS ­ koncept, kdy není generován výsledný obraz, ale popis, jak se k němu došlo * Vlastní datový formát ­ BIL plus textový soubor s hlavičkou. * Kompresní formát ECW * Výborná dokumentace (dnes již součást ERDAS) ENVI * Software pro "earth science" * Mocný programovací nástroj - IDL (Interactive Data Language) * Pracuje s obecným BSQ, BIL či BIP plus hlavičkou (header) * Vlastní vektorový formát * Komplexní nabídka nástrojů pro zpracování hyperspektrálních dat * Jednoduché a názorné uživatelské rozhraní. 3 TNTmips * Vlastní rastrový datový formát * Bohatá podpora vlastních GIS nástrojů * Podpora práce TIN * Podpora několika relačních databází * Bohatý dokumentační a výukový materiál * TNT Lite - zdarma (omezená velikost zpracovávaného souboru) TNTmips ,,geoformula" Další užitečné programy * IDRISI www.clarklabs.org * GRASS http://grass.baylor.edu/ * ILWIS http://www.itc.nl/ilwis/ * DEFINIENS http://www.definiens.com/ * Multispec dynamo.ecn.purdue.edu * HyperCube http://www.tec.army.mil/Hypercube/ Obecná struktura software pro digitální zpracování obrazu * Modulární skladba (PCI) či hierarchický systém se zastřešující hlavní nabídkou (TNT Mips, ER Mapper) * Průvodci (Wizards) X Princip černé skřínky * Grafické uživatelské rozhraní (GUI) i příkazový řádek * Grafické modelování ­ princip vývojových diagramu * Využití vlastních programovacích nástrojů (např. IDL, EASI) úprava pracovního prostředí, interface aplikace vlastních algoritmů či modelů Digitální snímek a jeho vlastnosti Digitální snímek se skládá z tzv. obrazových prvků (pixelů). Každý pixel nese jedno číslo (DN hodnotu) toto číslo je prezentováno jako odstín šedi Vznik digitálního obrazového záznamu DN hodnoty nejsou skutečnými radiometrickými charakteristikami Skutečné zářivé a radiometrické charakteristiky však můžeme vypočítat To je nezbytné především pro tzv. kvantitativní dálkový průzkum 4 Vztah mezi DN, zářivými a odrazovými vlastnostmi povrchů * DN * L - zář [W.m2.sr-1] (radiance) * - odrazivost (reflectance) L1 : záření rozptýlené atmosférou ,,path radiance" L2 : záření odražené snímaným povrchem L3 : záření odražené a rozptýlené okolními objekty c0, c1 : (offset, gain) ­ kalibrační konstanty Vztah mezi DN, zářivými a odrazovými vlastnostmi povrchů 2L ET L += ET LL - = )( 2 L ­ zář měřená senzorem ­ odrazivost E ­ intenzita ozařování (irradiance) [W.m-2] T ­ propustnost (transmisivita) atmosféry L2 ­ path radiance Empirické určení zářivých a odrazových vlastností povrchů LMIN, LMAX ­ kalibrační konstanty pro dané pásmo DNccL 10 += LMINDN LMINLMAX L + - = 255 Vlastnosti digitálního snímku Obrazový záznam charakterizují čtyři základní druhy rozlišovacích schopností: 1. Radiometrické rozlišení 2. Spektrální rozlišení 3. Prostorové rozlišení 4. Časové rozlišení 0 6-bitů (64 úrovní) 0 0 8-bitů (256 úrovní) 10-bitů (1024 úrovní) NOAA - AVHRR LANDSAT MSS LANDSAT TM Reálná čísla 32 tis., komplexní čísla SAR Radiometrické rozlišení 4 úrovně 256 úrovní Udává počet úrovní, do nichž je obraz zaznamenán Spektrální rozlišení * Počet vytvářených snímků v MS režimu * Šířka intervalu zaznamenaných vlnových délek panchromatický snímek multispektrální snímky hyperspektrální snímky 5 Prostorové rozlišení 16 dnů Časové rozlišení 1.6. 2003 17.6. 2003 3.7. 2003 Frekvence s jakou systém vytváří snímky stejného území: Časové rozlišení snímků z LANDSATu Základní způsoby vizualizace 1. černobílý obraz 2. barevná syntéza (RGB systém) 3. pseudobarevný obraz (indexové barvy) Syntéza v přirozených barvách 0,4-0,5 m 0,5-0,6 m 0,6-0,7 m Syntéza v nepravých barvách 0,8-0,9 m0,5-0,6 m 0,6-0,7 m Snímek z infračervené části spektra Pseudobarevný režim (Snímky jako výsledky klasifikace ) modrá25500255 tmavě modrá18000254 ............... ............... zelená0255091 tmavě zelená0962590 ............... ............... žlutá02552552 světle hnědá01251751 bílá2552552550 Výsledná barvaBGRVstupní pásmo 6 Omezení RGB systému pro vizualizaci multi (hyper) spektrálních obrazových dat Histogram obrazu * základní způsob informace o rozložení DN hodnot v obraze * základní prostředek pro zvýraznění obrazu (úpravu kontrastu) * nástroj pro jednoduchou klasifikaci * tvar histogramu (počet vrcholů, lokální minima) * rozsahu zaznamenaných DN hodnot (min a max) * poloha v rámci možného dynamického rozsahu Pro prvotní analýzu jsou důležité tyto charakteristiky Histogram obrazu aritmetický průměr: 82,6 medián: 80,0 minimum: 6 maximum: 254 směrodatná odchylka: 26,9