Введение.
Широкое внедрение вычислительной техники вызвало интенсивное развитие и распространение автоматизированного, или компьютерного, дешифрирования, под которым понимается обработка цифровой аэрокосмической информации, с целью картографирования или решения других географических задач.
1. Понятие о цифровом снимке
Цифровым снимком называют изображение земной поверхности, которое записано в виде цифровых значений на магнитном носителе и может быть визуализировано на экране монитора. В отличие от снимка, представленного в фотографическом виде, где изображение непрерывно, цифровой снимок состоит из дискретных элементов изображения — пикселов (от англ. рicture element). Размер пиксела определяет пространственное разрешение цифрового снимка. В пределах пиксела изображение однородно, так как яркости всех объектов интегрируются независимо оттого, насколько сильно они различаются.
Каждый из пикселов имеет координаты в цифровой записи: номер строки (х) и номер столбца (у). Началом координат служит первый пиксел (левый верхний пиксел изображения), и, как это принято в компьютерном представлении данных, номер строки возрастает при движении вниз, а столбца — вправо.
В радиометрическом отношении цифровой снимок также дискретизирован. Весь интервал яркостей от черного до белого принято делить, как указывалось выше, на 256 уровней (в машинном коде это соответствует 8 битам, или 1 байту на пиксел). Один уровень яркости соответствует радиометрическому разрешению снимка. Номер уровня яркости, или кодированное значение яркости, представляет третью координату пиксела цифрового снимка. В многозональном снимке пикселу с определенными координатами х, у соответствует несколько значений яркости, по числу съемочных каналов.
Снимок в целом или его фрагмент может быть представлен в виде матрицы значений яркости. Такая организация аэрокосмических данных позволяет манипулировать ими с помощью компьютера.
В результате проведения геометрических преобразований координаты элементов цифрового снимка могут быть связаны с пространственными координатами — географическими или геодезическими, а снимок трансформирован в заданную проекцию. В программных пакетах это преобразование может быть организовано как единая процедура или как две разные. В процессе присвоения пространственных координат (геокодировании) перестройки изменения аэрокосмического изображения не происходит, лишь устанавливается связь между растровыми и пространственными координатами. Второй процесс — трансформирование — требует перестройки изображения. Поясним это на простом примере разворота изображения.
Плоскость орбиты спутника, как правило, наклонена к оси Земли, т.е. оси координат цифрового снимка в общем случае не параллельны ни сетке параллелей и меридианов, ни сетке прямоугольных координат. На рис. 1 схематически показана цифровая запись снимка в первичном виде и после преобразований. Чтобы развернуть снимок «на север», т.е. сделать параллельными оси координат цифровой записи и пространственной системы (на рисунке это система географических координат), в запись вводятся «чистые» пикселы, что и приводит к изменению координат пикселов снимка в цифровой записи. В двух этих случаях координаты трех условно выбранных пикселов в системе цифровой записи различны.
В действительности перестройка изображения значительно сложнее, чем это показано на приведенном примере: для трансформирования снимка требуется введение новых пикселов или объединение двух в один по всему изображению, что влечет за собой некоторое ухудшение в воспроизведении мелких объектов.
В случае, когда снимок визуализирован на экране, каждый пиксел имеет, кроме того, координаты экрана. Они могут совпадать с координатами цифровой записи, если визуализированное изображение начинается с начала цифровой записи и выведено на экран в масштабе 1:1. Если же изображение на экране увеличено (уменьшено) и/или выведен лишь фрагмент записи, совпадения координат не будет. Таким образом, пикселы визуализированного на экране монитора цифрового снимка, предварительно преобразованного в определенную проекцию, имеют координаты в трех системах — цифровой записи, пространственных координат и экрана.
Система координат цифрового снимка |
||||||||
Пикселы |
Первичная цифровая запись |
Трансформированный и координированный снимок |
||||||
|
|
Цифровая запись |
Прямоугольная, км |
Географическая, |
||||
|
X |
У |
X |
У |
X |
У |
Ф |
X |
А Б В |
1 6 11 |
1 8 15 |
4 8 11 |
1 8 18 |
8737,0 8739,0 8741,0 |
5091,0 5087,0 5082,5 |
45°49,8 45°47,7 45°45,6 |
47°47,5 47°40,0 47°50,5 |
Рис. 1. Координаты пикселов в первичной цифровой записи (а) и после выполнения геометрических преобразований изображения (б)
Получение снимков в цифровом виде обеспечивается или при съемке, если используются оптико-электронные съемочные системы, или цифрованием фотографических снимков. Цифрование выполняется на специальных сканирующих микроденситометрах, называемых обычно сканерами. Пространственное разрешение современных сканеров (до 1—2 мкм) позволяет сохранить при переводе в цифровую форму даже высокое разрешение аэрофотоснимков.
Полученные оптико-электронными системами цифровые снимки с помощью устройств, преобразующих электрический сигнал в световой, могут быть представлены как фотографические изображения. Дешифрировать такие снимки можно только визуально, а используемые при этом признаки и способы не отличаются от тех, которые применяются при работе со снимками, полученными фотографическими системами.
При компьютерном дешифрировании цифровых снимков возможны два подхода:
-
визуальное дешифрирование экранного изображения;
-
автоматизированная (компьютерная) классификация.
В первом случае информацию извлекает дешифровщик путем визуального анализа экранного изображения. Исполнитель в отличие от компьютера воспринимает прежде всего пространственную информацию, часто даже не зная количественных характеристик. Яркостные различия оцениваются им на качественном уровне, но зато он использует и другие дешифровочные признаки, форму например, а также косвенные дешифровочные признаки.
Второй подход заключается в выполнении математических процедур, позволяющих сгруппировать объекты по некоторому формализованному признаку. В настоящее время в качестве признака используют на черно-белых снимках — величину яркости, а на многозональных — набор значений яркости на серии зональных снимков, называемый спектральным образом. Анализ ведется на уровне отдельного пиксела. Пространственную информацию о дешифрируемых объектах при этом подходе обычно получают с использованием программных средств путем подсчета пикселов с близкими или одинаковыми характеристиками.
Основное преимущество первого подхода — легкость получения пространственной информации и благодаря привлечению комплекса дешифровочных признаков — высокий уровень принимаемых решений, а второго — возможность выполнения сложных математических преобразований при малом участии человека. Очевидно, что оба подхода могут дополнять один другого, а потому часто используются совместно.
Основные принципы и способы визуального дешифрирования сохраняются вне зависимости от того, представлены снимки как изображение на фотобумаге (пленке) или на экране. Различие заключается в том, что в первом случае дешифровщик имеет дело со снимком, свойства которого он не может изменить, а во втором такая возможность есть.
Различают два вида преобразований цифрового снимка: геометрические и яркостные.
Конечной целью геометрических преобразований является представление цифрового снимка в определенной проекции и системе координат. Преобразования выполняются в случае использования снимков для создания карты или необходимости сопоставления разных по типу или времени получения материалов. Обязательны геометрические преобразования для данных дистанционного зондирования, входящих составной частью в базу данных геоинформационной системы.
Основная цель яркостных преобразований— улучшение визуального восприятия экранного изображения. Однако в некоторых случаях они могут служить конечным результатом дешифрирования.