Дистанционное зондирование земли

Программы модельных и натурных экспериментальных исследований приборов и систем телекоммуникаций. Алгоритмы обработки фотопланов и структурных моделей рельефов. Моделирование геометрических сетей и анализ результатов дистанционного зондирования Земли.

Рубрика Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника
Вид учебное пособие
Язык русский
Дата добавления 12.11.2014
Размер файла 9,4 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Распределение грунтовых вод на Земле не является случайным и определяется определенными климатическими, геологическими, гидрологическими, физиографическими и экологическими факторами. Так, запасы грунтовой воды в Индии в основном приурочены к геологическим породам трех типов:

1. Неконсолидированные.

2. Полуконсолидированные.

3. Консолидированные.

Поиск источников грунтовых вод ограничивается наиболее перспективными областями с наибольшей пористостью и проницаемостью пород.

Пористость горной породы определяет потенциальное количество запасов воды, а проницаемость характеризует способность воды проходить через поры и трещины, то есть является показателем того, насколько воду будет легко извлечь.

Дистанционное зондирование позволяет быстро получать информацию о тех факторах (относящихся к геологии, геоморфологии, растительности, почвенному покрову и т. д.), которые указывают на наличие запасов грунтовой воды и дают возможность оценить их динамику. В результате систематического мониторинга указанных факторов на данной территории выделяют перспективные зоны, которые затем изучают более подробно с помощью наземных гидрогеологических и геофизических методов.

На заключительном этапе для количественной оценки запасов воды проводят бурение. Как показала практика, спутниковые данные являются чрезвычайно полезным источником информации для распознавания геологических разломов и зон трещиноватости, которые, как правило, являются областями скопления воды в скальных породах, а также определенных геоморфологических структур, например аллювиальных конусов, в которых очень часто содержатся водоносные пласты. При распознавании последних большое внимание уделяется родникам, зонам просачивания грунтовых вод на поверхность и местам произрастания фреатофитов, то есть тем признакам, которые указывают на приповерхностное залегание грунтовых вод. Также важным является выделение тех видов растительности, по которым можно достаточно точно оценить глубину водоносного горизонта и соленость воды. Кроме того, для оценки состояния грунтовых вод необходимо проводить мониторинг тех водных систем, которые находятся под влиянием неблагоприятных условий.

С помощью данных космической съемки со спутников Landsat была составлена карта потенциальных запасов грунтовых вод для горных областей Индии. В основу была положена геоморфологическая информация, но использовались и другие тематические данные, которые в некоторых случаях позволяли уточнить местоположение и состояние грунтовых вод.

Широкую известность получили результаты анализа данных IRS-1A в рамках Национальной программы по определению запасов питьевой воды (National Drinking Water Mission, NDWM), которая была инициирована Правительством Индии в 1986 году. Основная цель этой программы состояла в обеспечении сельского населения Индии питьевой водой из расчета 40 литров на человека в день. В засушливых областях ставилась также задача дополнительно обеспечить по 30 литров воды в день на каждую голову крупного рогатого скота. При этом оговаривалось, что источник воды должен находится не далее 1,6 км от населенного пункта.

Процесс создания гидрогеоморфологических карт в масштабе 1:250000 для решения этой задачи состоял из шести этапов (Рисунок 28):

1. Подбор данных ДЗ.

2. Подготовка основной карты.

3. Предварительное дешифрирование космических снимков.

4. Проверка результатов дешифрирования с помощью наземных наблюдений.

5. Окончательное дешифрирование.

6. Создание результирующей карты.

Первоначально использовались композитные псевдоцветные снимки с разрешением 30 м, сформированные на основе данных 2-го, 3-го и 4-го каналов съемки Landsat Thematic Mapper, затем -- аналогичные снимки IRS- 1A LISS-II с разрешением 36 м и, в некоторых случаях, снимки LISS-I с разрешением 73 м. При этом все снимки либо распечатывались на бумаге в масштабе 1:250000, либо выводились на прозрачную пленку. Последнее изображение также можно было увеличить до указанного масштаба.

Сначала были подготовлены карты масштаба 1:250000, на которые были нанесены основные дренажные слои, важные местные объекты, автомобильные и железные дороги, каналы и т. п. Следующий этап состоял в дешифрировании космических снимков, выделении различных геоморфологических структур и форм рельефа и нанесении их на основную карту. В дальнейшем выделенные пространственные объекты анализировались с точки зрения дренажа, типа почвы, толщины почвенного слоя, выветривания горных пород и использования земельных ресурсов. При этом использовались также геологические карты и другие дополнительные данные, включая результаты полевых наблюдений.

Результатом этой работы стал набор гидрогеоморфологических карт для всех районов страны.

Как показала практика, многозональные обзорные снимки IRS, полученные при одинаковых условиях освещенности земной поверхности, являются источником точной и надежной информации обо всех перечисленных факторах. В отсутствие подробных данных о литологических свойствах горных пород их идентифицировали по спектральной отражательной способности и особенностям структуры, рельефа и т. п. Особое внимание уделялось зонам разломов и синклинальным впадинам, являющимся местами скопления грунтовых вод в осадочных горных породах. Подобные структуры часто остаются незамеченными при полевых исследованиях в силу локального характера наземной съемки. На снимках IRS легко выделяются и другие ландшафтные формы, указывающие на наличие грунтовых вод: скрытые русла, намывные насыпи, аллювиальные конусы и т.д. Кроме того, оказалось, что данные ДЗ можно использовать и для исследования гидрографической палеосети, влияющей на современное распределение грунтовых вод и их возобновление. Серьезное внимание уделялось также классификации почв и исследованию структуры землепользования.

Исследование роста городов

Развитие мегаполисов и миграция населения из сельской местности в города -- это общемировая тенденция. Бессистемное расширение городских территорий является серьезной проблемой, требующей адекватного решения. Благодаря периодичности и обзорности съемки, а также надежности данных дистанционного зондирования этот метод открыл новые возможности для картографирования городских территорий и изучения развития городской инфраструктуры. В этом разделе описывается исследование территории города Дехрадана, которое было выполнено с использованием существующих карт и космических снимков. Более подробный список данных представлен в Таблице 5.

Таблица 5. Данные, которые использовались для исследования городской территории

Данные

Год

Масштаб

1

Карта Дехрадана

1945

1:20000

2

Карта Дехрадана

1956

1:20000

3

Лист топографической карты 53J/3

1984

1:50000

4

Лист топографической карты 53F/15

1965

1:50000

5

Снимки IRS LISS II

1988

Цифровые снимки

6

Снимки IRS ID PAN

1997

Цифровые снимки

7

Снимки IKONOS

2001

Цифровые снимки

Таблица 6. Площадь земель различного назначения в период с 1945 по 2001 год

Использование земли

Площадь, км2

Год

1945

1965

1988

1997

2001

Г ородская

12,57

27,83

34,96

46,16

50,31

Сельскохозяйственная

39,08

34,77

33,60

30,18

29,04

Лес

15,04

14,10

11,79

11,26

10,35

Пустующая

41,33

31,89

28,81

24,13

22,28

Реки

6,21

5,64

5,07

2,5

2,25

Всего

114,23

114,23

114,23

114,23

114,23

Таблица 7. Изменения в использовании земли

Использование

земли

Изменение площади (1945--2001 гг.), км2

Тип

Городск

ая

Сельскохозяйствен

ная

Ле

с

Пустующ

ая

Рек

и

Г ородская

-

-

-

-

-

Сельскохозяйствен

ная

11,38

-

-

0,57

-

Лес

1,76

0,56

-

2,37

-

Пустующая

22,15

0,63

-

-

-

Реки

2,46

0,73

-

0,78

-

На Рисунке 29 представлены карты, показывающие использование земли Дехрадана и прилегающих территорий в 1945, 1965, 1988, 1997 и 2001 годах.

Эти карты легли в основу исследования динамики расширения территории города в период с 1945 по 2001 год (Рисунок 30).

Рисунок 18. Карты использования земель города Дехрадан и его окрестностей

Рисунок 19. Рост города Дехрадан

Различные виды землепользования в указанный период представлены в Таблице 6, а изменения, произошедшие в этот период, -- в Таблице 7. Из этой таблицы видно, что основные изменения коснулись пустующих (22 км2) и сельскохозяйственных земель (11 км2). Одним из обнадеживающих результатов роста Дехрадана заключается в расширении изначально очень небольшого участка, занятого лесом. В то же время наблюдается постепенное заселение территорий вдоль рек Ришпана Рао и Биндал Рао. Для этих районов характерен высокий риск затопления во время наводнений. Изменения в использовании городских земель, произошедшие в период с 1945 по 2001 год, показаны на Рисунке 31.

Рисунок 20. Изменения в землепользовании

Оцифровка ка экрале

Рисунок 22. Схема анализа развития городской территории

Региональное планирование

Региональный план развития территории необходимо составлять с учетом всего комплекса проблем, характерных для ее природных ресурсов, рельефа, структуры сельского хозяйства, экологического состояния, климатических и социально-экономических условий.

Такой план должен не только соответствовать нуждам и ожиданиям местных жителей, но и являться составной частью многоуровневой национальной системы планирования, то есть отвечать общим целям развития экономики, роста производительности труда, поддержания экологического баланса, повышения занятости населения и его уровня жизни.

В этом контексте очень важной задачей является оценка природных ресурсов, и как показала практика использования методов дистанционного зондирования в последние три десятилетия, их можно с успехом применять для решения этой задачи.

Учеными Департамента космических программ Индии была разработана специальная методика использования спутниковых данных IRS- 1A и географических информационных систем в интересах регионального

85

планирования. Методика основана на рекомендациях рабочих групп индийской Комиссии по планированию и обеспечивает интеграцию ресурсных данных из разных источников с социально-экономическими и демографическими данными, собранными Национальным информационным центром в рамках программы DISNIC. Схема обработки данных представлена на Рисунке 33.

Одним из наиболее важных предварительных условий, необходимых для осуществления планирования, является наличие подробных баз данных, содержащих информацию о природных ресурсах, социально-экономических условиях, демографической структуре населения и современных технологиях (Таблица 8).

Таблица 8. Базы данных для регионального планирования

Природные ресурсы

Социальноэкономические и демографические данные

Современные

технологии

Почвы и земельные участки

Г еоморфология Геология Гидроморфология Землепользование, типы земных покровов Количество осадков Населенные пункты

Экономические услуги Дороги и транспорт Связь

Энергоснабжение Службы распределения Основные поставки (семена удобрения и т.д.)

Хранение

Рынки сбыта

Кооперативы

Услуги здравоохранения

Образовательные

учреждения

Поставка питьевой воды Обеспечение санитарных условий Демография Уровень доходов Землевладение

В следующих областях: сельское хозяйство, садоводство, лесное хозяйство, рациональное использование земельных и водных ресурсов, включая грунтовые воды, ирригация, рыболовство, животноводство и птицеводство, развитие транспортной сети, жилищное

строительство, энерго- и электроснабжение, здравоохранение и обеспечение санитарных условий

Дешифрирование космических снимков IRS-1A специалистами в соответствующих тематических областях обеспечивает возможность быстрой оценки использования земель, а также картографирования почв, геологических и геоморфологических структур, грунтовых вод и растительного покрова.

Информация о рельефе местности (данные о наклонах, высотах, параметрах водосбора и водоразделах) извлекалась из топографических карт, а данные об атмосферных осадках и других климатических параметрах -- из

записей метеорологических станций. Источниками социальноэкономических и демографических данных служили результаты переписи населения, кадастровые записи, экономические отчеты и базы данных Национального информационного центра.

Анализ данных и их интеграция проводились в два этапа. Основное назначение первого этапа состояло в инвентаризации природных ресурсов и исследовании возможностей их использования для различных видов деятельности. Целью второго этапа было определение отстающих в социальном или экономическом развитии регионов, в которых население испытывает недостаток элементарных бытовых удобств.

Затем с помощью ГИС были выделены составные участки территории (Composite Land Development Unit, CLDU), которые анализировались с точки зрения имеющихся ресурсов. При этом рассматривались различные схемы развития и варианты использования земли, а основное внимание уделялось не предыстории, а наличию современных технологий. Предполагается, что в дальнейшем все рассмотренные схемы будут использованы при выборе оптимального варианта регионального плана развития.

Рисунок 23. Методика картографирования в интересах регионального планирования

Предупреждение и борьба с последствиями чрезвычайных происшествий

Термин «природная катастрофа» означает аномальное состояние окружающей среды, отрицательное влияние которого на людей, животных и растительность превосходит некоторый критический уровень. Несмотря на общий характер этого определения, в каждом отдельном случае критический уровень может зависеть от множества факторов, в том числе экономических и психологических. Примерами природных катастроф, которые в некоторых местах Земли происходят достаточно регулярно, являются землетрясения, наводнения, циклоны, лавины, оползни, цунами, засухи и лесные пожары. Временной масштаб этих явлений представлен в Таблице 9.

Некоторые природные катастрофы -- например, землетрясения, оползни и цунами - связаны с определенными геологическими структурами. Данные дистанционного зондирования, благодаря охвату и периодичности

спутниковой съемки, позволяют оперативно оценивать обстановку и служат основой для своевременного прогноза многих природных катастроф. При разработке превентивных мер эти данные используются для решения следующих задач:

1. Определение и картографирование наиболее опасных мест.

2. Прогноз вероятности возникновения природных катастроф.

3. Мониторинг явлений для определения начала и возможных вариантов развития катастрофических процессов.

Космические снимки используют для получения информации о размерах пострадавшей территории, уровне нанесенного ущерба и нуждах местного населения. Поскольку в период таких событий время становится жизненно важным фактором, данные должны передаваться практически без задержки. Во время наводнений и засух можно использовать снимки, которые обладают невысоким пространственным, но высоким временным разрешением. Данные с геостационарных спутников, которые передаются на Землю каждые полчаса, используют для мониторинга таких непродолжительных природных катастроф, как циклоны и торнадо. В общем случае, для борьбы с природными катастрофами полезно использовать комбинацию различных наборов данных, каждый из которых характеризуется высокой пространственной, временной или спектральной разрешающей способностью. Ниже приводится пример использования данных ДЗ для борьбы с цунами.

Таблица 9. Продолжительность природных катастроф

Природные

катастрофы

Возникновение

Продолжительность

Землетрясения

Более чем внезапно

От нескольких секунд до нескольких минут

Лавины

Внезапно

Несколько часов

Оползни

Внезапно

От нескольких часов до нескольких дней

Цунами

Внезапно

Несколько минут

Циклоны

Предсказуемо

Несколько дней

Наводнения

Предсказуемо

От нескольких дней до нескольких недель

Лесные пожары

Предсказуемо

От нескольких часов до нескольких дней

Засухи

Медленное

развитие

Месяцы

Цунами представляет собой цуг волн, вызванных внезапным смещением морского дна в результате землетрясения, извержения подводного вулкана, медленной подвижки земной коры или падения астероида. Волны цунами распространяются с огромной скоростью, достигающей иногда 800 км/ч.

Амплитуда этих волн в открытом океане невелика, но на мелководье происходит их торможение, и они вздымаются вверх на очень большую высоту.

Иногда перед приходом цунами можно наблюдать отступление воды вдоль всего морского побережья. Спустя секунды возникает гигантская волна, которая с огромной силой обрушивается на берег. Опасен не только сам этот удар, но и обратные потоки воды, с большой скоростью стекающие обратно в море.

Ранним утром двадцать шестого декабря 2004 года вблизи Андаманских островов произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой 8,9 по шкале Рихтера. Эпицентр землетрясения находился недалеко от острова Суматра в точке с координатами 3,7° с.ш. 95° в.д. (Рисунок 34). Цунами, возникшее в результате этого землетрясения, стало рекордным по количеству унесенных жизней за всю историю регистрации подобных событий. Погибло 220272 человека, еще 22352 пропали без вести, 1076350 человек в Юго-Восточной Азии и Восточной Африке вынуждены были покинуть места своего проживания. Цунами нанесло ущерб всем прибрежным странам: 173981 человек погибли в Индонезии, 29854 -- в Шри-Ланке, 10749 -- в Индии, 5313 -- в Таиланде, 150 -- в Сомали, 82 -- на Мальдивских островах, 68 -- в Малайзии, 59 -- в Бирме, 10 -- в Танзании, 3 -- на Сейшельских островах, 2

— в Бангладеш и 1 -- в Кении.

Цунами привело к большим разрушениям на Мадагаскаре и Маврикии, оно ощущалось в Мозамбике, ЮАР, Австралии и Антарктике. Волны цунами пересекли Атлантический и Тихий океаны и были зарегистрированы в Новой Зеландии и на западном и восточном побережье Северной и Южной Америки.

Большой объем информации о величине и степени разрушений, вызванных этим цунами, был получен с помощью космических снимков.

Полученные данные различались пространственным разрешением, которое обеспечивали разные съемочные системы. На ил. 7.8 показана область разрушений (желтые круги) вокруг города Караикал по данным спутниковой съемки LISS IV AWiFS. Ущерб, нанесенный городу Шенаи, можно оценить по снимку IRS-P6 Мх (ил. 7.9). На этом же снимке видно, какие огромные изменения произошли с устьем реки Адайяр. Более подробная картина изменений этого региона видна на снимке, полученном со спутника OrbView- З с разрешением 1 м (Рисунок 35). На этом снимке хорошо видны последние изменения русла реки и структура отложений руслового материала.

Далее представлена сводная таблица (Таблица 10), отражающая возможности применения данных дистанционного зондирования в различных областях

Таблица 10. Оласти применения данных ДЗЗ

Агрокультура,

лесное

хозяйство

Г еология

Водные

ресурсы

Океанография и морские ресурсы

Окружающая

среда

Выделение вегетативных зон: посевные площади, пастбища, лесные участки

Поиск полезных ископаемы х, включая нефть и газ

Определение границ и объемов поверхностн ых вод

Мониторинг

органических

морских

ресурсов

Мониторинг горнодобывающе й деятельности и утилизации отходов

Определение видов посевных

Составлен ие и

Определение

зон

Анализ загрязнения и

Картографирован ие и мониторинг

площадей

обновлени

е

геологичес ких карт

наводнений и паводков

циркуляции вод

загрязнения вод

Определение видов и

объемов лесных участков

Описание

региональ

ных

структур

Определение

границ

снежного

покрова

Мониторинг береговой линии

Мониторинг загрязнения воздушной среды

Определение качества посевов и биомассы

Схемы

линеамент

ов

Исследовани е ледниковой активности

Картографирован ие мелей и опасных участков

Анализ

последствий

природных

катастроф

Определение

областей

угнетения

растительности

Исследова

ние

вулканиче

ской

деятельнос

ти

Анализ

загрязнения

водных

ресурсов

Оперативное картографирован ие ледяного покрова (айсбергов)

Мониторинг

воздействия

человеческой

деятельности на

окружающую

среду

Определение состояния почв

Поиск

признаков

минерализ

ации

Мелиорация

Исследование морских волн и приливов

Мониторинг степных и лесных пожаров

Программные решения в области дистанционного зондирования Земли.

Обладание информацией, пусть сколь угодно обширной, еще не есть обладание знаниями. Для решения каждой конкретной задачи необходимы свои, зачастую весьма специфические, методы обработки и анализа. Учитывая объемы и специфику данных, получаемых с космических аппаратов, решение поставленных задач без применения современных компьютерных технологий невозможно.

В связи с этим на первый план выходит вопрос наличия промышленного математического программного обеспечения, удовлетворяющего заданным критериям. Термин «промышленное» (industrial) по отношению к программному обеспечению употреблен не случайно. Под этим подразумевается соответствие программного обеспечения весьма жестким требованиям, что отличает его от так называемых «исследовательских» программ.

Краткий список данных требований можно изложить следующим образом:

• Надежность и корректность. Вычисления, производимые над данными дистанционного зондирования, могут занимать значительный период времени и должны проводиться в автономном режиме.

• Возможность работы с большими объемами данных. Данные размером в сотни мегабайт должны обрабатываться в независимости от объема имеющейся физической памяти. Наличие пакетного режима обработки данных ускоряет вычисление повторяющихся операций.

• Быстродействие как следствие максимальной оптимизации алгоритмов и использования новейших технологических решений. Распараллеливание обработки и использование суперскалярных вычислений там, где это возможно (технологии SSEx для платформ на базе Intel и CUDA для графических процессоров NVIDIA).

• Переносимость на различные платформы. Не следует ограничивать сферу применения программного обеспечения определенным процессором и/или операционной системой.

• Функциональная гибкость. Разнообразие и специфика задач, решаемых с помощью анализа ДДЗ, требует максимальной параметризации вычислений.

• Конечный результат должен быть представлен в форме, максимально упрощающей дальнейший анализ и доступной для неспециалиста.

Данные дистанционного зондирования Земли, особенно высокодетальные, становятся все популярнее, расширяется спектр их пользователей, соответственно растет и востребованность программного обеспечения (ПО) для работы с ними.

Следствием несомненного успеха проекта Google Maps/Earth стал новый взгляд на данные ДЗЗ и область их применения. Растет популярность средств Web-публикации снимков и карт, и если раньше «трехмерка» была вотчиной профессионалов, то теперь она доступна практически всем.

Производительность современных компьютеров массового спроса стала настолько высокой, а стоимость хранения данных настолько низкой, что на обычном ноутбуке можно выполнить объемный фотограмметрический проект или сложную обработку гигабайтов данных. Не стоит на месте и наука, постоянно предлагая новые высокоэффективные алгоритмы обработки данных дистанционного зондирования. Все эти факторы оказывают непосредственное влияние на развитие ПО для обработки данных ДЗЗ.

Так, рост производительности компьютеров позволил реализовать более сложные алгоритмы пересчета (resampling) изображений «на лету» (бикубический сплайн, недавно добавленный в ERDAS IMAGINE Leica Geosystems, Швейцария) и более совершенные алгоритмы сжатия изображений (различные варианты wavelet-сжатия). Если раньше сжатие с потерей качества считалось непригодным для профессиональной обработки данных ДЗЗ вследствие нарушения их радиометрической целостности и появления артефактов, то теперь использование сжатых изображений стало обычной практикой. Большинство приложений высокодетальных снимков не требуют сохранения радиометрической точности, а новые алгоритмы дешифрирования не так чувствительны к «шуму» потерь, как методы классификации, применявшиеся в эпоху Landsat.

Что в работе с данными ДЗЗ осталось неизменным так это пошаговость обработки и ориентированность многих программных продуктов на выполнение конкретных этапов. Казалось бы, уже сделано все, что можно, в области географической привязки изображений, визуализации, монтажа, классификации, разработчикам осталось только повышать удобство использования продуктов и устранять ошибки.

Накопление у пользователей архивов ранее привязанных снимков сделало востребованной функцию автоматической привязки снимка к снимку (AutoSync в ERDAS IMAGINE). При монтаже множества снимков в единую мозаику теперь используются математическое моделирование вариаций освещенности (а не просто их статистическое выравнивание) и специальные средства, ранее применявшиеся только военным ведомством (image dodging).

Значительным шагом вперед в деле извлечения полезной информации из данных ДЗЗ стали коммерциализация и распространение алгоритмов дешифрирования на основе объектно-ориентированного подхода и специальных фильтров. Feature Analyst (VLS, США) и семейство продуктов компании Definiens (ФРГ) хорошие примеры таких узкоспециализированных, но в своей области очень мощных программных средств.

В ближайшей перспективе тенденции развития ПО для работы с данными ДЗЗ сохранятся. Рост производительности компьютеров позволит и далее повышать автоматизацию рутинных операций обработки данных, а также реализовывать более совершенные алгоритмы, качественно улучшающие получаемые результаты.

Сохранится специализация ПО и разделение работы с данными ДЗЗ на этапы. Уже много лет муссируются слухи о грядущем слиянии средств обработки изображений и ГИС, тем не менее, до сих пор этого не произошло, по-прежнему сохраняется специализация отдельных приложений обработки данных ДЗЗ. Пока существует разделение труда между специалистами как средство повышения общей эффективности производственного процесса, комплексирование разнородных функций в ПО не имеет смысла.

Первичная обработка космических снимков

Первичная обработка данных ДЗЗ состоит из следующих этапов:

1. создание проекта, импорт снимков, внутреннее ориентирование снимков;

2. измерение опорных точек, триангуляция, внешнее ориентирование, уравнивание;

3. построение цифровой модели рельефа (ЦМР);

4. построение ортофотопланов;

5. создание мозаики.

Результаты обработки позволяют подготовить космические снимки к автоматизированному и интерактивному дешифрированию, а также визуальному представлению.

Программный комплекс PHOTOMOD GeoMosaic

PHOTOMOD GeoMosaic является простой и мощной программой сшивки геопривязанных изображений.

Основное предназначение программы -- создание из геопривязанных растровых изображений единой, бесшовной, однородной по яркости мозаики высокой геометрической точности.

PHOTOMOD GeoMosaic поддерживает работу с геопривязанными цифровыми растровыми изображениями: аэроснимками, космическими снимками, картами.

Программа GeoMosaic служит для создания:

- ортомозаики из геопривязанных ортотрансформированных аэро- и космических

- снимков, нарезки построенной ортомозаики на листы с возможностью сохранения

- листов в файлах популярных растровых форматов. Ортотрансформированным снимком называется снимок, полученный после преобразования из центральной проекции в ортогональную проекцию с автоматическим устранением искажений, вызванных съемочной аппаратурой, углом наклона съемки и рельефом местности.

Ортомозаика -- одно непрерывное изображение, полученное в процессе яркостного выравнивания и объединения («сшивки») нескольких геопривязанных ортотрансформированных снимков.

В программе приняты следующие соглашения и терминология:

Исходный геопривязанный ортотрансформированный снимок называется изображением проекта мозаики или исходным изображением.

Построенная ортомозаика из исходных изображений называется выходной мозаикой или мозаикой.

Порезом называется границы области исходного изображения, которая будет включена в выходную мозаику. Для создания порезов используются векторные полигоны. Общие границы смежных порезов полностью топологически совпадают, т. е. выделенные с помощью порезов области исходных изображений представляют собой единую область без перекрытий и «дырок».

Листом называется область выходной мозаики, которая будет сохранена в отдельном файле выходного формата. Для создания границ листов используются векторные полигоны.

Форматы входных и выходных данных

Список входных и выходных форматов включает: TIFF/GeoTIFF, BMP, ГИС Карта 2011 RSW, IMG (IGE), NITF, JPEG, DGN, PIX, JPEG 2000 с файлами геопривязки (ArcWorld, MapInfo TAB, PHOTOMOD GEO).

Программа обеспечивает поддержку любого числа каналов изображений на входе и выходе, а также растров неограниченного размера.

Основные функции PHOTOMOD GeoMosaic

- Построение высокоточной мозаики из геопривязанных ортотрансформированных изображений промышленных объемов (десятки тысяч исходных изображений).

- Автоматическое построение мозаик достаточной точности без привлечения классической фотограмметрии.

- Функции обработки/улучшения изображений:

о радиометрическая коррекция (использование всевозможных фильтров, настроек цветового баланса, яркости, контраста, произвольное редактирование гистограммы и др.); о Pan-Sharpening (слияние цветного снимка с панхроматическим более высокого пространственного разрешения с целью получения цветного изображения с высоким пространственным разрешением);

о DustCorrect (удаление явных визуальных дефектов снимков инструментом «штамп»).

- Построение порезов:

о в автоматическом режиме (в т.ч. с учетом контуров объектов, неоднородности изображений, яркости объектов и др.); о ручной режим построения и редактирования порезов.

- Нарезка на листы выходной мозаики:

о построение мозаики на одном листе (границы листа могут быть заданы пользователем или граница определяется внешней границей блока изображений); о нарезка на листы по изображениям;

о нарезка на листы в соответствии с заданными параметрами; о нарезка (разграфка) на стандартные топографические номенклатурные листы.

- Добавление опорных точек, в т.ч. автоматический съем опоры с опорного изображения.

- Интерактивное добавление и автоматический расчет связующих точек с контролем автокорреляции.

- Возможность задания размера пикселя на местности.

- Возможность задавать исходную и целевую системы координат (пересчет в другие системы координат).

- Яркостное выравнивание по всему блоку изображений (по средней яркости, по изображению из проекта, по произвольному изображению- эталону) и сглаживание линий сшивки для создания единого непрерывного изображения мозаики без швов.

- Возможность определять параметры вывода мозаики на печать в зависимости от установленных разрешения и масштаба.

- Возможность поворачивать выходные изображения на произвольный угол.

Дополнительные возможности

- Послойная моновекторизация с поддержкой атрибутивной информации.

- Использование классификаторов PHOTOMOD StereoDraw или PHOTOMOD StereoVectOr.

- Обширная база данных систем координат, наличие инструментов создания своей собственной системы координат.

- Пакетный пересчет координат опорных точек в требуемую систему координат.

- Возможность загрузки растровых карт, ортофотопланов, векторных данных и веб-ресурсов и совмещения их со снимками.

- Возможность подключения GPS-приемника для съема опорных точек, определения и on-line отображения местоположения и маршрута движения на фоне геопривязанного изображения.

- Работа как с файловой системой, так и с ресурсами ЦФС PHOTOMOD.

- Широкий набор инструментов редактирования порезов, листов, связующих точек, любых векторных данных.

- Возможности импорта/экспорта векторных объектов (порезов, границ листов, опорных точек). Поддерживаемые форматы: DGN, DXF, MIF/MID, Shape, KML, Generate, ATLAS KLT, LAS, LIG, ASCII, ASCII- A, CSV, VectOr и др.

Ключевыми особенностями PHOTOMOD GeoMosaic являются распределенная обработка на всех этапах, что позволяет использовать в полном объеме имеющиеся вычислительные мощности (многоядерность, многопроцессорность, сетевые возможности), минимизируя время работы с проектами, и перестроение мозаики «на лету» в окне предварительного просмотра (при редактировании порезов, изменении положения связующих точек и опций выравнивания яркости) обеспечивает возможность детально просмотреть выходной продукт еще до его реального создания.

- Данный программный комплекс обладает рядом преимуществ:

- Высокая производительность: использование технологий распределенной обработки изображений и поддержка высокопроизводительных вычислительных средств увеличивает скорость выполнения вычислительноёмких операций в разы.

- Эффективность: программные средства PHOTOMOD GeoMosaic нацелены на автоматизацию и существенное сокращение времени обработки проектов, на минимальное использование труда операторов при сохранении высокого качества выходных продуктов.

- Масштабируемость: возможность обрабатывать растры неограниченных размеров и блоки из десятков тысяч изображений.

- Рентабельность: использование PHOTOMOD GeoMosaic экономически эффективно, т.к. не требует затрат на дополнительные лицензии и стороннее ПО, ибо содержит весь необходимый функционал для построения мозаик, быстро окупается.

- Актуальность: программа непрерывно развивается, отвечая современным технологическим требованиям.

- Дружелюбность: продуманная технологическая цепочка и необходимый набор инструментов на каждом этапе, интуитивно понятный интерфейс программы позволяют легко овладеть навыками работы с PHOTOMOD GeoMosaic.

- Универсальность: благодаря широкому набору обменных форматов программа поддерживает работу с множеством форматов данных других программ.

- Поддержка и сопровождение: улучшение и оптимизация программного обеспечения после передачи в эксплуатацию, консультация пользователя на всех этапах его работы.

- Качество и надежность: многолетний опыт на рынке геоинформатики, применение передовых научных разработок, уникальных собственных алгоритмов и ориентированность на прогрессивные технологии при разработке программы обеспечивают ее высокое качество и надежность.

Входные данные

Исходными данными для построения мозаики в программе GeoMosaic являются привязанные к системе координат ортотрансформированные растровые изображения в файлах следующих форматов:

- Tag Image File Format (TIFF) -- TIFF и GeoTiff формат, содержащий специальные разделы («тэги») для записи информации о геопривязке;

- Windows Bitmap File (BMP);

- VectOr Raster Maps (RSW) -- растровые форматы программы VectOr;

- ERDAS IMAGINE (IMG) -- растровый формат системы ERDAS;

- NITF (NITF);

- JPEG (JPEG);

- GIF (GIF);

- PNG (PNG);

- USGS DEM (DEM);

- PCIDSK (PIX) -- растровый формат, разработанный компанией PCI Geomatics, с данными геопривязки в заголовке;

- JPEG2000 (JP2) -- растровый формат с jpeg-сжатием и информацией о геопривязке в заголовке.

В программе также имеется возможность загрузки и обработки палитровых изображений в файлах форматов TIFF, GIF и BMP.

Для файлов исходных изображений допускается размещение как в ресурсах активного профиля, так и в файловой системе Windows.

Выходные данные

В программе поддерживается множество растровых форматов для экспорта листов выходной мозаики. Предусмотрены также внешние форматы для экспорта данных геопривязки. Созданные в проекте мозаики порезы, границы листов и связующие точки хранятся в векторных файлах внутреннего формата. Программа поддерживает множество форматов импорта/экспорта векторных данных.

Таблица 11. Выходные данные

Выходные данные

Формат файлов

Размещение файлов

Проект мозаики

внутренний формат X- GMOS

в ресурсах активного профиля

Г раницы порезов, листов и связующие точки (векторные данные)

внутренний векторный формат X-DATA

в ресурсах активного профиля

Внешние данные геопривязки листов мозаики

PHOTOMOD GEO MapInfo TAB ArcWorld(*.TFW, *.PBW)

в файловой системе Windows

Листы мозаики (ортофотоизображения)

TIFF и GeoTIFF (*.TIFF, *.TIF)

Windows Bitmap File (*.BMP)

ERDAS IMAGINE (*.IMG)

NITF (*.NITF)

JPEG (*.JPG, *.JPEG) PNG (*.PNG)

в файловой системе Windows

Microstation (*.DGN) JPEG2000 (*.JP2) PCIDSK (*.PIX) PHOTOMOD MegaTIFF (*.PRF)

VectOr Raster Maps (*.RSW)

Интерфейс программы и его элементы

Пользовательский интерфейс программы, представленный на Рисунке 36, содержит следующие элементы:

- главное меню, содержащее все функции программы;

- основная панель инструментов для быстрого доступа к основным функциям программы;

- дополнительные панели инструментов для быстрого доступа к вспомогательным функциям программы;

- рабочее 2D окно для отображения данных, которое содержит следующие элементы:

о панель инструментов для управления режимами 2D окна; о рабочая область для просмотра и работы с загруженными данными проекта мозаики; о панель навигации для быстрого перемещения в необходимую область блока изображений проекта мозаики; о панель диспетчера слоев для управления слоями проекта мозаики;

о строка состояния для просмотра текущих координат маркера и настройки контраста, яркости и гамма-коррекции данных в рабочей области.

Рисунок 26. Пользовательский интерфейс программы

Обзор меню программы

Основное меню программы (Таблица 12) содержит пункты меню для построения мозаики, работы с векторными данными, запуска дополнительных приложений и настройки параметров.

Таблица 12. Главное меню программы

Меню

Назначение

Проект

Меню предназначено для создания, открытия,

сохранения проекта мозаики и получении информации о проекте.

Изображения

Меню предназначено для формирования блока изображений проекта мозаики.

Порезы

Меню предназначено для построения порезов

векторных полигонов, определяющих области

исходных изображений, которые будут включены в выходную мозаику. Для создания порезов предусмотрен слой Порезы.

Листы

Меню предназначено для нарезки мозаики на

листы -- области мозаики, которые будут сохранены в отдельных файлах выходного формата. Г раницы листов задаются с помощью векторных полигонов на слое Листы.

Связующие точки

Меню предназначено для поиска и измерения

связующих точек в окрестности линии совмещения областей с целью уточнения сшивки вдоль общих границ соседних порезов. Сшивка по связующим точкам предполагает коррекцию (трансформацию) самих изображений в заданной окрестности. Для измерения связующих точек предусмотрен векторный слой Связующие точки.

Прочее

Меню предназначено для просмотра вспомогательных данных: границ

изображений (с фоном или без фона), сетки фрагментов для набора статистики локального выравнивания. Все прочие данные представляют собой векторные объекты и размещаются на слое Прочее.

Мозаика

Меню предназначено для определения выходных параметров мозаики и построения листов мозаики с сохранением в файлах выходного формата.

Редактирование

Меню предназначено для создания, редактирования, импорта/экспорта векторных данных.

Сервис

Меню предназначено для запуска дополнительных приложений, настройки общих параметров.

Окна

Меню предназначено для открытия дополнительных панелей инструментов и окон (нового 2D окна, окон маркера и измерений, окна атрибутов объектов).

Справка

Меню предназначено для вызова Справки.

Выход

Меню предназначено для выхода из программы

Технология построения мозаики

Создание мозаики предполагает выполнение следующей последовательности действий:

1. Сбор входных данных.

2. Запуск программы Geomosaic.

3. Создание проекта мозаики.

4. Загрузка изображений в проект мозаики: добавление, просмотр и настройка прозрачности для входного цвета фона изображений.

5. Определение набора каналов для мозаики. Набор каналов определяется в окне Параметры мозаики на закладке Мозаика.

6. Определение выходной системы координат для мозаики и использование ее для хранения векторных данных (порезов, границ листов, связующих точек). Выходная система координат для мозаики определяется в окне Параметры мозаики на закладке Мозаика,

настройка сохранения векторных данных в выходной системе координат производится на закладке Прочее.

7. Построение порезов: автоматическое создание порезов (в том числе с учетом рельефа из матрицы высот); рисование и редактирование порезов)

8. Выполнение операций выравнивания областей мозаики: глобальное и локальное выравнивание яркости, сглаживание линий совмещения(опционально).

9. Сшивка областей по связующим точкам в окрестностях порезов вручную или с помощью коррелятора в автоматическом/полуавтоматическом режимах (опционально).

10. Нарезка области изображений на листы и выбор активных листов для создания выходных файлов.

11. Определение выходных параметров для построения мозаики: размера пикселя, масштаба карты, формата файлов для листов мозаики и др.

12. Построение мозаики (в том числе в режиме распределенной обработки) с сохранением листов мозаики в файлах выбранного формата.

Создание проекта мозаики

При создании проекта мозаики автоматически создаются с отображением в панели диспетчера слоев четыре пустых векторных слоя:

- Связующие точки

- Прочее

- Листы

- Порезы

Загрузка изображения в проект мозаики

После создания проекта мозаики следует этап формирования блока исходных изображений, который предполагает выполнение следующих основных действий:

1. Загрузка исходных изображений и формирование блока изображений проекта мозаики.

2. Настройка прозрачности для входного цвета фона изображений для исключения фона из выходной мозаики.

В зависимости от размещения исходных файлов возможны следующие варианты загрузки изображений в проект мозаики:

- добавление изображений из ресурсов активного профиля;

- добавление из файловой системы Windows.

Вне зависимости от размещения исходных файлов возможны следующие способы выбора файлов растровых изображений для загрузки в проект:

- выбор файлов вручную;

- автоматический выбор файлов допустимых растровых форматов в указанном каталоге и его подкаталогах (опционально).

Кроме того предусмотрена возможность добавления изображений из списка файлов, созданного в текстовом файле. Для загрузки изображений в проект предусмотрено меню Изображения. Для просмотра добавленных изображений в окне Предварительный просмотр используется пункт меню Мозаика>Показать целиком. По умолчанию добавленные изображения сразу автоматически отображаются в окне Предварительный просмотр.

Все изображения проекта мозаики вписаны в прямоугольный растр определенного цвета, который в дальнейшем будем называть выходным цветом фона мозаики. Этот цвет будет присутствовать в выходных файлах листов мозаики. По умолчанию выходной цвет мозаики черный, но для удобства работы этот фон мозаики не отображается в окне Предварительный просмотр (для него настроена прозрачность).

С другой стороны изображения проекта мозаики характеризуются собственным цветом фона (на краях снимков), который в дальнейшем будем называть входным цветом фона изображений. Для корректной сшивки изображений при построении мозаики необходимо исключить этот фон, т. е. настроить прозрачность для входного цвета изображений.

Следующим шагом после загрузки изображений в проект мозаики является настройка прозрачности для входного цвета фона изображений, что обеспечит корректную сшивку изображений при построении выходной мозаики.

Построение порезов

После формирования блока изображений проекта мозаики следует этап построения порезов -- векторных полигонов, определяющих те области изображений, которые будут включены в выходную мозаику. Для создания порезов предусмотрен векторный слой Порезы. Сочетание автоматического и ручного режимов при создании порезов, возможность использования данных матрицы высот, а также определение типа пореза с помощью атрибутов гарантируют высокое качество сшивки областей при построении выходной мозаики. Для создания порезов рекомендуется выполнение следующих основных шагов:

1. Построение порезов в автоматическом режиме.

2. Редактирование порезов: редактирование векторных полигонов (вручную) и их атрибутов на слое Порезы.

Требования к построению порезов

Для построения качественной мозаики при создании порезов следует руководствоваться следующими правилами:

1. Не допускаются пересечения порезов. Не допускаются

самопересечения порезов. Общие границы смежных порезов должны полностью топологически совпадать. Т.е. все выделенные с помощью порезов области исходных изображений представляют единую область без перекрытий и «дырок».

2. Не рекомендуется проведение порезов через высотные объекты (например, через мост, здание, опору ЛЭП). В противном случае возможно «двоение» и «частичное исчезновение» объектов на мозаике.

3. Не рекомендуется проведение порезов вдоль границ протяженных объектов (например, вдоль дороги, кромки леса), т. е. вдоль границ яркостного перехода на изображении. В противном случае при построении мозаики возможен эффект «смазывания» границы. Рекомендуется либо пересекать протяженные объекты под углом близким к прямому, либо провести порез на достаточном расстоянии от границы протяженных объектов.

4. Для предотвращения появления аномальных яркостных областей при локальном выравнивании желательно, чтобы в статистику попало достаточное количество информации о каждом цветовом канале. Поэтому рекомендуется проводить порез таким образом, чтобы цвет изображения чередовался, либо проводить порез параллельно границе яркостного перехода, но на достаточном расстоянии от неё.

Автоматическое построение порезов

При создании порезов рекомендуется использовать возможность построения порезов в автоматическом режиме. В программе предлагается два алгоритма автоматического построения порезов: диаграмма Вороного и более детальный алгоритм с возможностью учета данных имеющейся матрицы высот. Рекомендуется сначала использовать быстрый метод построения диаграммы Вороного. В случае удовлетворительной оценки качества порезов, построенных этим методом, отредактируйте порезы в режиме рисования векторных объектов. Иначе примените детальный алгоритм проведения порезов, который особенно рекомендуется для городской или сельской застройки, так как проведение порезов осуществляется с обходом отдельных объектов (домов) и пересечением дорог под прямым углом.

Параметры построения порезов в автоматическом режиме представлены в Таблице 13.

Таблица 13. Описание параметров автоматического построения порезов

Параметр

Назначение

Быстрый (диаграмма Вороного)

Переключатель позволяет выбрать для автоматического построения порезов алгоритм диаграммы Вороного. Построение порезов этим методом заключается в том, что вся область (объединение всех снимков) разбивается на многоугольники исходя из близости к надирным точкам или, если они не заданы, к центрам снимков.

Детальный

Переключатель позволяет выбрать для автоматического построения

порезов более «тонкий» алгоритм. В этом случае ребра диаграммы Вороного, принадлежащие двум снимкам, заменяются ломаными линиями, оптимальным образом обеспечивающими стыковку изображений. Безразмерный параметр Максимальное отклонение от диаграммы Вороного (от нуля до единицы): при нулевом значении параметра получается диаграмма Вороного, при единице -- используется максимально возможная область для проведения порезов. При применении этого алгоритма вычисляется оценивающая функция на изображениях. Порезы проводятся по линиям так, чтобы максимальное значение этой функции на них было минимальным среди всех возможных линий (метод минимакса). Функция состоит из нескольких слагаемых, каждое из которых входит в сумму с заданным весом, от нуля до единицы. Параметр Вес контуров объектов позволяет обходить при построении порезов отдельные объекты (дома) или пересекать их под прямым углом (дороги). Значение этого параметра максимально на границах объектов. Параметр Вес неоднородности изображений позволяет обходить при построении порезов небольшие города и поселки, а также городские кварталы, т. к. при определенном размере пикселя населенные пункты выглядят более неоднородными по сравнению с лесами, полями и т. п. Параметр Вес соответствия изображений: для каждой точки эта составляющая тем больше, чем сильнее отличаются ее окрестности на соседних снимках. Параметр Вес

яркости изображений используется для проведения порезов в темных местах, где человеческий глаз менее восприимчив к несоответствию изображений.

Точность прореживания линий

Параметр позволяет определить коэффициент прореживания ломанных линий. В процессе построения получаются ломаные линии с длиной ребра в один пиксель. Затем они прореживаются, так чтобы прореженные линии отклонялись от исходных не более, чем на заданное значение (в метрах на местности).

Обрезать исходные снимки

Параметр позволяет исключить при построении порезов края изображений, т. е. обрезать края по прямым линиям, параллельным сторонам изображений. Размер края изображений (в долях) при обрезке определяется значением в поле ввода Обрезаемая часть.

Обрезать поля с цветом фона

Параметр позволяет исключить при построении порезов края изображений с входным цветом фона изображений, т. е. исключить неинформативные области изображений (края пленочных снимков или области, обрезанные на предыдущих этапах). Цвет фона при построении порезов на изображениях определяется программой автоматически, обрезка краев изображений происходит по ломанным линиям. Значение в поле ввода Допустимое отклонение от цвета фона позволяет задать цветовой диапазон фона изображений. Т.е если цвет какого-либо пикселя отличается от вычисленного цвета фона не более, чем на заданную величину, то этот пиксель также считается фоновым.

Уникальный цвет фона

Параметр для учета уникальности

цвета фона изображений при построении порезов. Флажок устанавливается в случае, если на снимках гарантированно отсутствует цвет, совпадающий с цветом фона.

Малое перекрытие между снимками

Параметр позволяет учесть малое перекрытие между снимками при построении порезов. Флажок устанавливается в случае, если изображения проекта имеют недостаточное перекрытие.

Имя атрибута

Параметр позволяет задать имя атрибута векторного объекта (пореза), в котором хранится полный путь к изображению. Параметр учитывается при автоматическом сопоставлении порезов с изображениями перед построением мозаики или предварительного просмотра.


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.