45B2.3.3. Этап формирования растровой карты динамики

Цель формирования растровой карты динамики -- создание разностного изображения. Снимки должны быть как можно более точ­но пространственно привязаны и совмещены друг с другом. Как пра­вило, снимки одного и того же сенсора хорошо совмещаются друг с другом.

Для контроля качества совмещения необходимо, при помощи программных средств обработки изображений, заменить какой-либо из спектральных каналов одного снимка на одноименный спектральный канал другого снимка. Лучше всего для этого подходят II-й или III-й каналы. Если снимки совмещены недостаточно хорошо, то при визу­альном просмотре тонкие протяженные объекты, такие как дороги и реки, будут двоиться. При этом каждый из двойников объекта будет окрашен в свой цвет.

Таблица 6

Содержание и результаты работ на этапе формирования растровой карты динамики природной среды

Снимки должны быть представлены в системе координат, в которой проводится составление карты динамики. Если система коор­динат снимков отлична от проекции карты динамики, требуется про­вести преобразование проекции снимков и при необходимости, после контроля совмещения, их взаимную привязку. Когда автоматизиро­ванное преобразование проекции осуществить не удается (например, 36

проекция исходных снимков неизвестна), то необходимо провести привязку снимков к топографической карте-основе соответствующего масштаба по контрольным точкам, а затем взаимную привязку сним­ков (табл. 6).

Распространенные среднемасштабные космические снимки с пространственной привязкой 100 м. Для контроля качества привязки необходимо при помощи программных средств ГИС совместить их с цифровой картой-основой. Если видимые средние смещения более графической точности карты, необходимо осуществить дополнитель­ную привязку снимков к карте-основе. В этом случае сначала необхо­димо осуществить взаимную привязку снимков по контрольным точ­кам, а затем каждого из снимков к карте. При такой последовательно­сти действий определение контрольных точек для привязки к карте- основе придется проводить только один раз.

Основой карты динамики служит разностное изображение. Разностное изображение характеризует вероятность того, что тот или иной пиксель изображения и, соответственно, участок территории подвергся природному или антропогенному воздействию.

Процесс создания разностного изображения складывается из нескольких последовательно выполняемых этапов:

1) формирование зоны перекрытия между двумя снимками;

2) собственно формирование разностного изображения;

3) визуализация разностного изображения и визуальная оцен­ка качества;

4) устранение ошибок разностного изображения.

Формирование зоны перекрытия между двумя снимками за­ключается в том, что из каждого снимка выделяется подмножество

пикселей, которое удовлетворяет двум условиям:

- участок территории, сопоставленный пикселю, отображается и на другом снимке;

- пиксели на обоих снимках находятся в пределах рабочей об­ласти соответствующих снимков, а не на полях, оставшихся после пространственной привязки.

Указанные действия выполняются путем выделения части ис­ходного изображения одного снимка, при помощи маски (mask) и вы­резания части изображения на каждом из снимков по маске. В даль­нейших манипуляциях используются только выделенные зоны.

Для каждого из соответственных спектральных каналов ис­ходных снимков создается свое разностное изображение. Общее коли­чество разностных изображений будет равно количеству соответст­венных спектральных каналов. Формирование разностного изображе­ния проводится путем применения формулы (1) последовательно ко всем соответственным пикселям в попарно каждом из спектральных каналов двух исходных изображений.

d ’ = S₁ • DN ₂ - S₂ • DN₁ (1)

где DN₁ и DN₂ — значения пикселей в соответствующих спектраль­ных каналах снимков 1 и 2, S₁ и S₂ -- средние арифметические вели­чин DN в каждом из спектральных каналов снимков 1 и 2.

Величина d' может принимать значения как больше, так и меньше нуля. Если считать, что снимок 1 получен раньше снимка 2, то d' < 0 будет означать, что коэффициент спектрального отражения уча­стка территории с течением времени уменьшился (т. е. участок потем­нел), а d' > 0 показывает, что коэффициент отражения увеличился, т.е. участок территории стал более светлым.

Чем больше величина d' по абсолютному значению, тем боль­ше вероятность того, что на участке территории, который отображает данный пиксель, произошли какие-либо изменения, и коэффициент отражения участка увеличился или уменьшился с течением времени. Чем ближе d' к нулю, тем больше вероятность того, что никаких изме­нений на участке территории который отображает данный пиксель, не происходило, а коэффициент отражения незначительно изменился в силу различных условий съемки, при которых получены исходные снимки. С целью контроля качества полученное разностное изображе­ние визуализируется при помощи средств обработки изображений в виде RGB растрового изображения следующим образом (при условии, что снимок 1 получен ранее снимка 2):

- в канал R загружается полученное разностное изображение;

- в каналы G, B загружается соответствующий спектральный канал исходного изображения снимка 2;

- гистограммы в каждом из каналов выравниваются (histogram stretching) по уровню 2%.

Если снимок 1 получен позднее снимка 2, необходимо в канал R загрузить соответствующий спектральный канал снимка 1, а в кана­лы G, B -- разностное изображение.

Полученное изображение может быть легко визуально интер­претировано: на таком изображении участки территории в зависимо­сти от направления изменения коэффициента отражения будут подсве­чены или красным, или синим цветом. Если изменения коэффициента отражения, а следовательно, и самого участка территории незначи­тельны, то цвет участка будет близок к серому.

Контроль качества разностного изображения осуществляется визуально. Основные ошибки разностных изображений могут возни­кать в силу различных причин. Ошибки, связанные с неточностью со­вмещения снимков необходимо устранить путем повторного совмеще­ния снимков. Если ошибки, связанные с различиями в условиях съем­ки, существенны и затрудняют визуальную интерпретацию изображе­ния, то, возможно, необходимо использовать в качестве исходных дру­гие снимки.

В силу условий съемки на цветном разностном изображении может возникнуть рябь -- незначительная вариация темных или свет­лых пикселей голубого и красного цвета. Это является показателем низкого качества разностного изображения. Для устранения ряби можно применить пороговый фильтр или адаптивный фильтр Фроста.

Применение порогового фильтра. К исходному (черно­белому) разностному изображению применяется пороговый фильтр следующего вида:

\d '|> K,

где K -- некоторое число, подбираемое экспериментально. В результа­те из разностного изображения будут исключены пиксели со значе­ниями ± DN , близкими к нулю. Применять фильтр необходимо с ос­торожностью, так как в результате его работы из разностного изобра­жения могут быть исключены участки территории со значительно из­менившимися отражательными характеристиками, но максимальные размеры которых близки к пространственному разрешению снимка.

Для выбора числа K можно использовать гистограмму разно­стного изображения (рис. 8). Чем ближе значение пикселя к нулю, тем меньше вероятность того, что у территории которую он отображает произошли изменения коэффициента отражения в силу естественных или антропогенных причин.

Применение адаптивного фильтра Фроста. Применение адаптивной фильтрации является наилучшим способом устранения незначительных шумовых флуктуаций яркости при одновременном сохранении на изображении мелких деталей, таких как протяженные и тонкие линии. Рекомендуется использовать адаптивный фильтр Фро­ста с окном размером 5 х 5 пикселей и фактором увеличения (damping factor), равным 0,5.

Разностное изображение, представленное в серой палитре, для улучшения читаемости может быть разделено на два изображения: для

d' < 0 и для d' > 0. В этом случае на первом изображении будут по­казаны только те участки территории, где коэффициент спектрального отражения участка территории с течением времени уменьшился, а на втором изображении, наоборот, где коэффициент спектрального от­ражения участка территории с течением времени увеличился.

Рис. 8. Выбор числа K для порогового фильтра

Для получения изображения для d' < 0 необходимо приме­нить фильтр |d' < 0 , а для d’ > 0 фильтр |d' > 0 . В результате полу­чим два изображения, каждое из которых будет содержать положи­тельные значения пикселей.