Программные средства обработки данных дистанционного зондирования

Интегрированные ГИС имеют достаточно большие пакеты программ для обработки изображений с целью их совместного анализа с картографической и другой пространственной информацией. К ним можно отнести: ER Mapper, Erdas, MGE Base Image, IDRISI и др.

Они выполняют следующие операции.

Радиометрическая коррекция: радиометрическая калибровка, солнечная и атмосферные коррекции, коррекции за угол визирования.

Геометрическая коррекция: инверсия и вращение изображения, генерация сетки на изображение, коррекция за кривизну Земли.

Преобразования: манипуляция с таблицами перекодировки, алгебраические и логические операции, метод главных компонент, трансформация цветного пространства, быстрое преобразование Фурье.

Фильтрация: низких и высоких частот, подчеркивание границ, медианная фильтрация, фильтрационные статистики.

Текстурный анализ: характеристики Харлика, К. Сана, измерения вариаций.

Генерация спектральных образов: составление массивов ключевой информации, статистический анализ.

Классификация изображения и оценка точности: метод максимального правдоподобия, минимального евклидова расстояния, критерия Хи-квадрат, параллелепипедов, оценка точности на основе классификационных таблиц и тематического сравнения.

Сервисные операции: ввод — вывод, редактирование и др.

Обработка изображений для получения географического результата представляет собой определенную для каждой задачи последовательность стандартных процедур, в которую входит трансформирование снимка по контрольным точкам, классификация, определение классов по ключевой информации, экстраполяция классов на большую территорию.

Системы обработки изображения совместимые с ГИС, имеют программное обеспечение, составляющее основные три группы: коррекция изображения, улучшение и анализ. Операции по обработке изображений — необязательный элемент технологии ГИС, только некоторые программы содержат полный набор, аналогичный по своим функциональным возможнос-_1ПП тям специализированным средствам обработки изоб-1U2 ражений типа ГИС ERDAS (ERDAS, Inc) или EASI/PAC.

Профессиональное программное обеспечение (ПО) для обработки ДДЗ отличает от систем обработки изображений общего назначения, таких как Photoshop и др., тесная связь с ПО ГИС. В ДДЗ часто числовое, абсолютное или нормированное каким-либо образом значение пикселя (кроме элемента изображения) оказывается важным. В обычных системах обработки изображений точными значениями каждого конкретного пикселя можно пренебречь из-за отсутствия задачи восстановления каких-либо характеристик снятого объекта по значениям соответствующих пикселов изображения. Важным свойством ПО по обработке ДДЗ является возможность быстрого перехода от результатов тематического дешифрировании к выполнению операций моделирования и пространственного анализа силами ГИС.

Из зарубежного ПО по обработке ДДЗ следует выделить ERDAS Imagine, EASI/PACE, VI2STA, Integral, ENVI, ER Mapper, TNTmips и др. Из отечественных программных продуктов отметим ANSYS, SHELL, LESSA.

Большинство существующих пакетов программ направлено на решение нескольких конкретных узких задач, связанных с обработкой и анализом данных. Так, редакторы растровой графики позволяют решать задачи по отображению, классификации, улучшению изображения. Задачи по географической привязке, ГИС-анализу и подготовке отчетов могут решаться на основе векторных ГИС. В такой ситуации для осуществления всего цикла работ пользователю необходимо иметь в своем распоряжении как минимум несколько программных продуктов. Лишь немногие пакеты программ обеспечивают осуществление всего комплекса работ с данными дистанционного зондирования и к ним относится программный продукт Erdas Imagine, позволяющий решать все задачи по обработке и анализу данных дистанционного зондирования от стадии импорта их из обменных форматов различных источников до подготовки качественных отчетов.

Erdas Imagine является полнофункциональным пакетом программ обработки растровой графики и по структуре решаемых задач представляет собой завершенную географическую информационную систему, которая имеет модульную структуру. Следовательно, каждый конкретный пользователь может приобрести только те модули, которые необходимы для решения, поставленных перед ним задач.

Обработка и анализ данных включают несколько этапов.

1. Отображение— представление данных, полученных непосредственно из их источника, в удобном для пользователя виде. Это неотъемлемая часть обработки пространственной информации в дистанционном зондировании и всех ГИС. В зависимости от источника получения данные дистанционного зондирования поступают сразу в цифровом формате или переводятся в данный формат для дальнейшей автоматизированной обработки. Но независимо от источников все цифровые данные дистанционного зондирования представляют собой растровые изображения.

Отображение данных в Erdas Imagine выполняется с помощью модуля Viewer, который является по сути является самостоятельным программным средством с большим набором решаемых задач.

• 2. Улучшение — изменение параметров изображения с целью повышения четкости, уменьшением влияния помех. Улучшение изображения облегчает дальнейший визуальный анализ и автоматизированную обработку материала. Улучшение достигается различными путями, например, изменением яркости, контрастности, фильтрацией помех, улучшением цветового баланса. В процессе улучшения изображения происходят изменения в исходных данных, которые сводятся к коррекции спектральных характеристик пикселов, составляющих изображение.
• 3. Геометрическое трансформирование — приведение изображения к заданному масштабу и картографической проекции с устранением смещений из-за наклона оси съемки, рельефа местности, кривизны поверхности Земли и геометрических искажений.
• 4. Географическая привязка — идентификация участка земной поверхности, отображенного на изображении, и присвоение каждой точке изображения координат в соответствии с координатами данных точек на местности.
• 5. Классификация — распознавание на изображении участков, соответствующих различным категориям объектов, и построение на этой основе нового (тематического) изображения, на котором объекты, принадлежащие к одной категории, отображаются одинаково (одним цветом).

Качество классификации зависит от исходных данных. Лучшие результаты получаются при использовании многозональных данных с высоким разрешением. Перед началом классификации программное обеспечение должно быть «обучено» распознавать различные категории объектов на изображении.

Классификация растровых объектов применяется при составлении ландшафтных карт, составлении карт структуры землепользования, лесной таксации, в экологическом мониторинге, корректировке топографических карт.

6. ГИС-анализ — анализ взаимного пространственного положения различных объектов на изображении и атрибутивной (описательной) информации о них, производимый с целью решения разнообразных прикладных задач, связанных с управлением природными ресурсами, экологическим мониторингом, планированием землепользования и др.

Основными этапами ГИС-анализа являются:

• • поиски и идентификация объектов;
• • измерение пространственных характеристик объектов;
• • анализ пространственной и атрибутивной информации;
• • выполнение различных действий над объектами (создание, выделение, перемещение, слияние).

В зависимости от сложности решаемых задач ГИС-анализ осуществляется на двух уровнях: простом и комплексном.

Простой ГИС-анализ предполагает проведение простых одношаговых преобразований данных (в основном из одного файла), в результате которых выполняется какое-либо одно действие из описанных выше.

Комплексный ГИС-анализ — предполагает выполнение сложного многошагового анализа данных с использованием нескольких источников информации, сложных преобразований и алгоритмов. Такой анализ производится на основе построения графических моделей (алгоритмов) с помощью специального инструмента, предоставляемого Erdas Imagine. При моделировании могут быть использованы растровые, векторные данные, а также их комбинации. Созданные модели обычно используются многократно.

Прикладной ГИС-анализ является одним из наиболее динамично развивающихся направлений ГИС и дистанционного зондирования. Круг решаемых с его использованием задач постоянно расширяется, а методы и алгоритмы совершенствуются.

7. Подготовка отчета — создание качественных отчетных информационных материалов, содержащих результаты обработки и анализа данных и сопровождающихся необходимыми иллюстрациями, пояснениями и т. д. Подготовка отчета обычно завершает обработку и анализ данных.

При создании отчета обрабатываемые материалы дистанционного зондирования приобретают тот окончательный вид, в котором они выводятся на печать или используются в электронном виде. Данный процесс включает несколько этапов:

• • предварительная компоновка композиции;
• • подготовка всех необходимых изображений;
• • задание размеров формата вывода;
• • создание и размещение на формате областей вывода изображения;
• • добавление и размещение на формате таких объектов, как легенды, координатные сетки, метки, масштабные линейки, заголовки, подписи, стрелки, указывающие направление на север.

Для решения задач, стоящих на каждом из перечисленных этапов обработки данных, в настоящее время разработано большое количество методов и алгоритмов, которые реализованы в Erdas Imagine. Таким образом, Erdas Imagine является полнофункциональным пакетом программ обработки растровой графики и представляет собой завершенную геоинформационную систему, использующую удобный графический интерфейс.