Обработка и дешифрование аэрокосмических изображений
КУРСОВАЯ
РАБОТА
Обработка
и дешифрование аэрокосмических изображений
Задание
В среде ERDAS Imagine выполнить геометрическую
коррекцию сканированного листа карты масштаба 1: 1 000 000 Украины. Дать оценку
точности геометрической коррекции.
Содержание
Введение
1.
Анализ состояния области решения задач
. Практические решения
Вывод
Список использованой литературы
Введение
Данные дистанционного зондирования (ДЗ) Земли
(ДЗЗ) из космоса все чаще применяются для решения широкого круга задач. Например,
актуальными являются задачи цифрового картографирования территорий. С этой
целью используются космоснимки высокого и сверхвысокого разрешений. Они
позволяют оперативно, с высокой точностью выполнять оценку состояния земельных
участков, предоставлять актуальную информацию о планах городской застройки,
изменениях рельефа местности, проводить мониторинг состояния растительного
покрова. Для этих целей наиболее часто используются космоснимки, полученные при
помощи съемочной аппаратуры спутников ДЗЗ QuickBird-2, WorldView-2, EO-1,
Ikonos, SPOT, а в последний год все чаще со спутника TerraSAR-X. По
спектральному разрешению съемки космоснимки, полученные в процессе пассивного
ДЗ, делят на панхроматические, мультиспектральные (многозональные) и
гиперспектральные. Выделяют также радарную всепогодную съемку, используемую в
процессе активного ДЗ из космоса. Именно панхроматические и мультиспектральные
космоснимки сверхвысокого разрешения получили широкое применение для решения
задачи цифрового картографирования городских территорий. Кроме того, система
радарной съемки TerraSAR-X обеспечивает всепогодную радарную съемку с
пространственным разрешением до 1 метра. Однако такая съемка, в силу своей
физической природы, представляет больший интерес для выявления изменений
рельефа местности, просадок грунта и других подобных задач. Материалы ДЗЗ
способствуют наполнению информацией систем оперативного мониторинга и
используются для анализа изменений территорий, выявления различных негативных
явлений и процессов. Так, например, периодичность съемки системой QuickBird-2
составляет от одних суток до трех. Актуальными будут съемки, выполненные в
различное время года с периодичностью в несколько лет. Известно, что
космоснимки применяют только после выполнения предварительной обработки.
Например, выполняются операции геометрической и радиометрической коррекций. До
операций, связанных с измерительным процессом, необходимо выполнять
трансформирование изображений и перевод их в заданную картографическую проекцию
и систему координат. Среди множества различных операций над данными ДЗ (ДДЗ)
выделяют операции, связанные с классификацией типов земного покрытия. Цифровая
классификация заключается в том, чтобы на основе спектральной информации из
различных диапазонов проанализировать каждый пиксел и отнести его к тому или
иному классу. Выходными данными классификации являются изображения,
представляющие растровые тематические карты. В процессе контролируемой
классификации далеко не всегда удается получить удовлетворительные результаты.
Очень многое зависит как от действий оператора, так и от выбранного метода, от
набора эталонных участков и других факторов. Часто специалисты сталкиваются с
тем, что типы земного покрытия, относящиеся к различным классам, имеют похожие
спектральные характеристики, что сказывается как на качестве результатов
классификации, так и на дальнейших действиях оператора.
1.
Анализ
состояния области решения задач
Описание системі ERDAS
Imagine 8.4
Система ERDAS
(Earth Resources
Data Analysis
System) - система анализа
данных дистанционного зондирования Земли, которые представленные в растровых
формах. Так как в ERDAS
Imagine есть инструменты,
которые позволяют проводить операции и над векторными данными, а также
инструменты ГИС-анализа, то систему считают растрово-векторной ГИС.
Главное окно программы ERDAS
представляет панель с кнопками(рис.1.1), вместе с которым открывается окно
вьювера системы(рис.1.2). С помощью кнопок главной панели пользователь получает
доступ к разным модулям ERDAS.
Рис.1.1
Рис.1.2
Основные возможности системы.
Визуализация графической информации
Система ERDAS Imagine Production позволяет
просматривать большие площади, покрытые целой серией снимков, одновременно
анализировать растровую и векторную информацию и создавать информативные и
профессионально оформленные карты.
Понятный графический интерфейс и мощные средства
обработки пространственно распределенной информации обеспечивают
полнофункциональную среду для решения широкого спектра прикладных задач.
Графически связанные окна просмотра (окна Viewer'а) позволяют одновременно
отображать и проводить анализ и различные преобразования такой информации как
космические снимки, аэроснимки, тематические слои растровой ГИС, векторные карты,
текстовые аннотации и элементы оформления. Специальный формат обеспечивает
быстрый вывод больших графических файлов с высоким разрешением.
Быстрый доступ к информации
С помощью ERDAS Imagine можно быстро получить
доступ к самой разнообразной информации, что дает неограниченные возможности
для анализа и управления географическими базами данных. Имеющимися средствами
можно получить информацию как по территориальному объекту, так и значение
каждого пиксела изображения и связанную с ним дополнительную информации,
использовать различные средства и возможности визуализации, в частности,
масштабирование.
Разнообразные средства для улучшения изображения
и методы классификации для выделения объектов и комплексного районирования
территорийImagine предоставляет самый полный набор средств для улучшения
изображения, повышения его читаемости и информативности, составления карт
землепользования и выделения объектов с применением методов автоматической
классификации, выявления изменений, происшедших с течением времени на
какой-либо территории, для различных военных применений и т.д. Результаты
преобразования направляются непосредственно в окно вывода (Viewer).
Имеющиеся в ERDAS Imagine программы
классификации, позволяющие строить по данным дистанционного зондирования карты
типов землепользования, ландшафтные и другие тематические карты, позволяет
лицам, занимающимся управлением природными ресурсами, планированием развития,
операциями с недвижимостью, быстро обновлять информацию в своих базах данных.
Вы можете получить полную информацию для своих баз данных из данных
дистанционного зондирования и фиксировать изменения, происшедшие на
определенной территории, комбинируя результаты классификации, произведенные по
разновременным снимкам.
Графическое моделирование, основанное на
операциях с тематическими слоями и спектральными диапазонами в изображении
Быстрые и простые в использовании ("на
одной кнопке") операции позволяют создавать или анализировать графические
модели для задач мониторинга и выявления изменений, обнаружения и оценки
ущерба, причиненного природной среде (а также прогнозировать возможный ущерб),
оптимально выбирать места для размещения предприятий и многое другое.
Модели для описания природной среды и
происходящих в ней процессов могут быть созданы очень просто с использованием
специального объектно-ориентированного графического редактора алгоритмов ERDAS
Imagine (Model Maker). Он позволяет интерактивно конструировать модели путем
выбора операций из графического меню. Таким образом, открывается доступ более
чем к 200 операциям по обработке изображений и манипулирования данными ГИС.
Естественно, при этом можно определять условные операции, позволяющие
осуществлять ветвление алгоритма.
Редактировать значения атрибутов и
подготавливать отчеты позволяет специальный редактор - Descriptor Editor.
Создание профессионально оформленной карты за
несколько минут
Карта - наиболее эффективное средство для
представления результатов анализа и исследования.Composer - это специальный
редактор для создания профессионально оформленной картографической продукции и
демонстрационной графики. Он работает в режиме WYSIWYG (What You See Is What
You Get), т.е. изображение на экране полностью соответствует получаемой твердой
копии.
Окончательно оформленную карту можно вывести на
электростатический плоттер, полутоновые принтеры (Continues Tone Printers) и
устройства вывода, поддерживающие стандарт PostScript, в том числе струйные,
принтеры с термальным переносом и сублимационные.
Работа с картами векторных геоинформационных
систем и данными радарных съемок
Еще одна сторона пакета ERDAS Imagine - работа с
векторно-топологической моделью данных.
Можно создать полную географическую базу данных
на исследуемую территорию, включая в нее и векторные электронные карты из
векторных ГИС. Модуль Vector в ERDAS Imagine работает с векторно-топологической
моделью данных ГИС ARC/INFO, обеспечивая уникальную комбинацию возможностей
растровой и векторной ГИС в одном и том же пакете. Вы имеете все возможности не
только для визуализиции векторных карт, но также все средства для организации
запросов к связанным с ними базам данных и все средства редактирования
векторных карт,включая построение топологии (команды BUILD и CLEAN ARC/INFO!).
Новые возможности выявления объектов с
использованием радиолокационных снимков
Способность радиолокационной съемки проникать на
определенную глубину под земную поверхность дает новые возможности получения
информации для таких применений как геология, археология. Специальный модуль
Radar в ERDAS Imagine дает возможность учесть специфику данных радиолокационных
съемок, обеспечивая специальные методы фильтрации для удаления
"шума", специальные методы коррекции и улучшения изображения. Такие
съемки могут объединяться с информацией, полученной из других источников -
спутниковыми многозональными, аэроснимками и т.д., увеличивая надежность
выявления интересующих объектов.
Создание высокоточных карт
Возможность точной привязки аэро- или
космических снимков к местности, к реальным координатам, преобразование их в
различные картографические проекции, использование при этом различных
параметров земного эллипсоида - незаменима при подготовке высокоточных карт.
Одновременно в интерактивном режиме проводится привязка снимка к местности по
опорным точкам и редактирование картографических проекций. Для повышения
точности используются данные, получаемые с приемников GPS (глобальной
спутниковой системы позиционирования). Трансформация и повороты снимка
выполняются по одному нажатию клавиши.
Создание цифровых моделей рельефа, ортофотопланы
и перспективные изображения местностиImagine позволяет создавать цифровые
модели рельефа и цифровые ортофотопланы (снимки с наивысшей степенью коррекции,
где устранены искажения, вносимые рельефом). При этом все операции выполняются
программно, без использования специальной фотограмметрической аппаратуры.
Модуль Digital Ortho в ERDAS Imagine использует фототриангуляцию для создания
цифровой модели рельефа и цифровых ортофотопланов из отсканированных аэро- или
космических снимков. Полученную цифровую модель рельефа можно использовать для
создания трехмерного перспективного изображения местности на основе
аэрокосмического снимка, анализа рельефа, выбора местоположения объектов,
выбора оптимальной трассы.
Геометрическая коррекция
Геометрическая коррекция включает в себя: устранение
на изображении геометрических искажений (орторектификация), графическую
привязку. Синонимы геометрической
коррекции
в
английском
языке:
geometric correction, geometric rectification, image registration.
Причины геометрических искажений.
Существует несколько причин геометрических
искажений, однако эти причины действуют совместно. Кроме того, следует
отметить, что для разных типов космических снимков комбинация этих причин
различна.
)Кривизна поверхности Земли
Геометрические искажения снимков, вызванные
кривизной поверхности Земли получаются в результате того, что точки сканируемой
местности не лежат в одной плоскости и наблюдение ведется не в надире, а под
углом к поверхности земли. Поэтому при удалении от центральной линии
сканирования (где съемка ведется в надире) искажение формы и размера объектов
увеличивается.
Искажение формы объектов. Прямая линия на
местности будет кривой на снимке, квадрат прямоугольником и т.д. Этим типом
искажения можно пренебречь, если угол обзора сканера невелик (MSS - Landsat,
угол обзора примерно 5,8о).
Искажение масштаба. Для снимков сделанных
оптико-механическим сканером (MODIS, AVHRR, ETM и MSS - Landsat, Aster (TIR))-
масштаб при удалении от центральной линии снимка становится мельче. То есть,
если взять два пиксела снимка: один из центральной области снимка, а второй из
боковой, то пиксел из боковой области будет содержать большую площадь Земли,
хотя размер их одинаков.
Для ПЗС снимков (спутники SPOT, IRS, Ikonos,
датчик Aster (VNIR, SVIR)) масштаб при удалении от центральной линии снимка не
изменяется.
)Неровности рельефа.
Неровности рельефа вызывают те же искажения, что
и кривизна поверхности, земли, но задача устранения их сложнее, по причине
того, что формы рельефа сложнее, чем форма Земли, которая близка к сфере.
Поскольку космические снимки делают с большой
высоты, то влияние форм рельефа незначительно, поэтому данный тип искажений
учитывают лишь для горных областей.
) Вращение Земли.
. Практические решения
Геометрическая коррекция,
коррекция карты Украины масштаба 1:1000000
Перед тем, как приступить к коррекции снимка,
нам необходимо конвертировать снимок во внутренний формат. Для этого нам
необходимо в главной панели программы выбрать кнопку Import,
в выпадающем меню Type
выбрать формат нашего снимка, это PNG,
в выпадающем меню Media
выбрать File, далее
появятся еще две дополнительные
строчки Input
File и Output
File. В Input
File необходимо выбрать
снимок, который мы собираемся конвертировать. В Output
File записываем
название нового снимка и указываем путь, где мы хотим сохранить уже
переконвертированный снимок. Нажимаем ОК. Теперь у нас есть снимок во
внутреннем формате. Далее все снимки, с которыми мы будем работать, необходимо
переконвертировать во внутренний формат img(см.
рис 2.1).
Рис.2.1
Далее в окно въювера
загружаем трансформированный файл(рис.2.2).
Рис.2.2
Теперь приступаем к непосредственной
геопространственной коррекции карты Украины. Во въювере открываем карту.
Выбираем пункт Raster,
находим Geometric
Correction, далее откроется
окно с названием Select
Geometric
Model, в списке выбираем
Polynomial(см.рис. 2.3)
Рис.2.3
карта радиолокационный снимок erdas
В верхней части экрана появилась панель с
инструментами геометрической коррекции (Geo Correction Tools), а в центре -
диалог для выбора свойств полиномиального преобразования (Polynomial Model
Propeгties). Используйте полином первого порядка (Polynomial Order = 1).
Нажимаем закрыть (см. рис.2.4)
Открывается диалог GCP Tool Reference Setup
предоставляет возможность выбора источника получения опорных координат. В
данном упражнении выполняется привязка карты к координатам, поэтому выбераем
как источник опоры Keyboard
Only и нажимаем ОК(см.
рис 2.5).
Рис.2.5
Далее в
закладке
Reference Map Information выбираем
Add/Change Projection. Тип проекции
выбираем
Geographic, сфероид- WGS 84.
Рис.2.6
Рис 2.7
В появившемся окошке Reference
Map Projection
выберите градусы.
Рис.2.8
Далее откроются три окна: окно, дополнительного
увеличения ( рис. 2.9), окно для работы с контрольными точками( рис.2.10),
инструмент геометрической коррекции( рис.2.11).
Рис.2.9
Рис.2.10
Рис.2.11
Для того, чтобы сделать геометрическую
коррекцию, нам необходимо с помощью инструмента 
выбрать
GCP точки на снимке.
Далее вписываем контрольные координаты этих четырех GCP
с помощью клавиатуры в колонку Х Ref.
и У Ref.. Далее
выбираем 
и
производится автоматический пересчет GCP.
В колонках X
Residual, Y
Residual, RMS
Error (ошибка по Х,
ошибка по У, среднеквадратическая ошибка) результат не должен превышать
0.5(рис.2.12).Для нашего снимка мы взяли 33 точки.
Рис.2.12
Далее нам надо в окне инструменты геометрической
коррекции выбрать инструмент Resample
, здесь в строке Output
File необходимо выбрать
путь, куда мы хотим сохранить трансформированное изображение и дать название
новому снимку (Рис.2.13).
Теперь мы можем сравнить снимок до
трансформирования и после (рис.2.14)
Рис.2.14
Вывод
В курсовой работе была проделана геометрическая
коррекция карты Украины масштаба 1: 1000000 . Работа выполнялась в системе ERDAS
Imagine версии 8.4. В
процессе геометрической коррекции выполняется привязка и трансформирование
снимка. Сущностью является нанесение "опорных точек" на изображение;
данным точкам присваиваются координаты, полученные в результате GPS-съемки, при
этом изображение перепроецируется из системы координат снимка в заданную
проекцию, и вычисляются среднеквадратические ошибки (СКО) планового положения
точек снимка и местности. Количество точек может варьироваться от 4х и до n-го
порядка. На конкретных примерах было рассмотрено, что количество GCP
влияет на качество геометрической коррекции. В ходе работы было выбрано 33 GCP.
Результаты геометрической коррекции
представленые в работе, выполнено верно, так как ошибки по оси X (X Residual),
по оси Y (Y Residual), и расчет RMS-error среднеквадратической ошибки в нашем
случае, при геометрической коррекции не привышали 0.5.
Список литературы
http://loi.sscc.ru/gis/RS/erdas2.html
Методичні рекомендації і
завдання з дисципліни "ОДАЗ"