Предварительная обработка - это коррекция и улучшение спутниковых изображений.
Примечание! Следует помнить, что некоторые методы улучшения изображений (фильтрация, изменение контраста) подразумевают изменение спектральных характеристик снимка, поэтому после их применения нельзя применять методы тематической обработки, которые основаны на анализе значений спектральной яркости пикселов (классификации, арифметические преобразования каналов и др.).
Виды предварительной обработки:
- Геометрическая коррекция спутниковых изображений;
- Радиометрическая калибровка снимков;
- Радиометрическая коррекция влияния атмосферы;
- Восстановление пропущенных пикселов;
- Контрастирование;
- Фильтрация.
Геометрическая коррекция включает в себя:
- устранение на изображении геометрических искажений (орторектификация),
- ·географическую 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
1) 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 5,8°). 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.
2) 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.
3) Вращение Земли. Поскольку сканирование Земли из космоса происходит не мгновенно, как фотосъемка, то вращение Земли (за 1 мин Земля поворачивается на 0.25) вызывает изменение условий съемки в процессе сканирования одной сцены.
4) Движение космического аппарата в процессе формирования изображения. На качество и свойства снимков влияет форма и высота орбиты спутника. Например, круговая орбита обеспечивает одинаковую высоту съемки земной поверхности, а следовательно, для одной и той же аппаратуры - одинаковый охват и разрешение снимков.
Радиометрическая калибровка снимков.
Для чего нужна радиометрическая калибровка (radiometric correction, spectral correction)?
Снимки, первоначально получаемые со спутников, записаны в виде так называемых "сырых значений" яркости DN (Digital Number). Данные в таком формате нельзя адекватно сопоставить с данными других съемок.
Задача радиометрической калибровки заключается в приведении этих значений в физические единицы.
Формула для калибровки многозональных снимков в оптическом диапазоне:
B*?=K ?DN+C ?
B*? - это энергетическая яркости для спектральной зоны ?;
DN - сырые значения яркости;
K ? - калибровочный коэффициент;
C ? - калибровочная константа, соответствующая минимальной величине регистрируемой яркости.
Радиометрическая коррекция влияния атмосферы.
Поглощение и рассеивание.
При прохождении через атмосферу электромагнитные волны поглощаются и рассеиваются, причиной поглощения и рассеивания являются: озон, водяной пар, углекислый газ, кислород, метан, пыль, дым.
Облачность. Облачность является помехой при съемке в оптическом диапазоне.
Способы атмосферной коррекции:
· Облака и туманы хорошо видно на фоне воды, так как в красном и ИК участках спектра поверхность воды по своим оптическим характеристикам близка к абсолютно черному телу. Поэтому содержание в атмосфере водяного пара и аэрозолей (дыма) можно оценить по снимкам, включающим участки морей и океанов.
· Существуют математические методы построения моделей состояния атмосферы с учетом типов рассеяния в атмосфере, времени года, метеорологических данных. Для уточнения таких моделей используют наземное измерение отражательной способности объектов во время полета спутника.
Восстановление пропущенных пикселов
«Пропущенные пикселы» могут возникнуть во время съемки или передачи данных, также случается замена значений яркости целой строки значениями соседней строки. Такие явления могут стать помехой при тематической обработке снимка. Пропущенные пиксела можно восстановить путем интерполяции с определенной погрешностью.
Контрастирование.
Контраст изображения - это разность между максимальным и минимальным значениями яркости.
Слабый контраст – наиболее распространенный дефект изображений.
Существует несколько методов повышения контраста путем цифровой обработки. Операция повышения контрастности снимка может быть использована при визуальном дешифрировании снимков (например, чтобы подчеркнуть границы объектов).
Методы повышения контраста:
- Линейное растягивание гистограммы. Всем значениям яркости присваиваются новые значения с целью - охватить весь возможный интервал изменения яркости (0, 255).
- Нормализация гистограммы. На весь возможный интервал изменения яркости растягивается не вся гистограмма, а ее наиболее интенсивный участок
- Выравнивание гистограммы (линеаризация, эквализация). В процессе выравнивания происходит изменение значений яркости пикселов таким образом, чтобы для каждого уровня яркости было одинаковое или близкое количество пикселов.
Фильтрация.
Фильтрация - это преобразование, которое позволяет усилить воспроизведение тех или иных объектов, подавить нежелательное вуалирование, устранить другие случайные помехи (шум).
Один из самых простых способов фильтрации - преобразование в скользящем окне.
При таком преобразовании пересчитываются значения яркости всех пикселов изображения. Пересчет происходит для каждого пиксела таким образом: когда данный пиксел является центральным в окне, которое "движется" по снимку, ему дается новое значение, которое является функцией от значений окружающих его в окне пикселов.
Размер окна может быть, например 3х3 или 5х5 пикселов. Каждый раз окно смещается на 1 пиксел и движется до тех пор, пока не пройдет весь снимок.
Для всех пикселов окна исследователь устанавливает весовые коэффициенты исходя из целей дешифрирования.