Силвия Филипова
Университет по архитектура, строителство и геодезия,
Геодезически факултет
Резюме
Представен е анализ и структура на качествените характеристики, които се използват при интерпретацията на изображения и определянето на различните видове обекти притежаващи тези характеристики. Проведени са експерименти и оценка на характеристиките, гарантиращи извличане на данни с висока точност и достоверност от изображенията. Дефинирано е правилното използване на качествените характеристики при извършване на идентифицирането и класификацията на обектите, както и залагането им в съответните алгоритми за автоматична и полуавтоматична обработка.
Определението за фотоинтерпретация се отнася до процеса, чрез който се правят заключения въз основа на анализа на различни елементи. Фотоинтерпретацията, или интерпретацията на цифрови изображения, е извличането на гео-топографски данни, информация за околната среда от снимки, най-често въздушни, или сателитни. [1] Резултатът от фотоинтерпретацията е идентифициране и класифициране на обекти.
Снимките са аналогово изображение, създадено от действието на видимата светлина (0.4-0.7 μm) или видимата близка инфрачервена светлина (0.4-0.9 μm) върху фоточувствителен филм. [2]
Цифровите изображения са съставени от пиксели, организирани в редове и колони в двуизмерна матрица. Всеки пиксел, се описва чрез число, представляващо средната му яркост и се характеризира с две равнинни координати х и у.
Както снимките, така и цифровите изображения са изображения, макар и от различно естество, а представката „фото“ се използва често в интерпретацията, въпреки че тя се занимава с изображения.
Фотоинтерпретаторът, или интерпретаторът на изображения, чрез логически процедури открива, идентифицира, измерва и оценява същността на обектите, пространствените им отношения и моделите, получени от тях.
Цифровите изображения, придобити от панхроматични или многоспектрални сензори, както и фотографските емулсии, имат някои ограничения: интерпретаторът може да ги преодолее въз основа на собствените си познания и чрез свързване на опита си с образа, след предварително определена методика за наблюдение, завършваща с конкретна методика за интерпретация.
Фотоинтерпретаторът трябва да може да представя и прехвърля върху карти своите възприятия и същността на наблюдаваните обекти по такъв начин, че да бъдат разбираеми за другите потребители. По тази причина човешкият фактор е решаващ при интерпретацията на изображенията.
Основните признаци за интерпретацията на цифрови изображения са както следва:
• тон и цвят, основен признак ( тонът и цветът се разглеждат като различни аспекти на един и същ признак);
• размер и форма, интерпретативни признаци от първостепенна важност;
• височина и сянка, геометрични интерпретативни признаци, свързани с първите два, но не толкова важни;
• структура и текстура (или модел), интерпретативни признаци от първостепенна важност, които пространствено дефинират тон и цвят.
Първият признак, тон и цвят, е най-важният, тъй като не е възможно да се наблюдават и анализират другите признаци без добър контраст в изображенията, които ще бъдат интерпретирани. Този признак е свързан със спектралната характеристика на обекта и с това как това е отразено в изображението. Другите признаци могат да бъдат разделени на две групи:
• геометрични и пространствени.
Най-важни са първите два геометрични – размер и форма, и двата пространствени – структура и текстура. Височина и сянка са второстепенни в скалата на приоритетите и добавят друга геометрична информация към знанията, получени от предишните признаци.
Геометричните и пространствени признаци зависят от резолюцията на изображенията, т.е. от разделителната способност на изображенията при определен мащаб.
Другите допълнителни признаци за по-доброто характеризиране на интерпретацията са:
• местоположение и асоциация, признаци, свързани с абсолютната и
относителна (по отношение на другите обекти) позиция;
• време, свързан с времето, когато обектът се наблюдава или като анализ на неговата променливост.
Тези признаци са абстракции на перспективата; те зависят до голяма степен от усета и опита на фотоинтерпретатора. Те описват обектите не от гледна точка на това как изглеждат, а от гледна точка на отношенията им със заобикалящата среда.
Тон и цвят
Основният признак за интерпретацията на изображения е тонът. Тоналният контраст разграничава обектите на дадена сцена.
При цветните изображения тонът е представен като различни комбинации от цветен тон, интензитет и наситеност. Цветът е основна характеристика на естествените признаци, докато за изкуствените признаци може да е от по-малка важност.
При черно-белите изображения тонът е представен като яркост, която, нараствайки през сивите нива, може да премине от бялото към черното. При едно цифрово изображение тонът е подразделен на сиви нива, чийто най-висок брой зависи от радиометричната разделителна способност, измерена в битове. Тонът съответства на нивото на интензитета при монохроматичните изображения. При черно-белите изображения интерпретаторът асоциира сивите тонове с различни обекти, знаейки външните фактори, които могат да окажат влияние: сезон, осветеност, географска ширина и т.н. Всички обекти могат да приемат различни тонове на сивото в зависимост от ъгъла на Слънцето, морфологията на повърхността и интервала на дължина на вълните.
Ключът към интерпретация на изображения, основаваща се на тон и цвят е в следните признаци:
• как всеки обект отразява или излъчва електромагнитна енергия като я изразява в различни тонове;
• как варират тоновете в зависимост от дължината на вълните;
• каква зависимост съществува между спектралните характеристики на обектите и спектралната чувствителност на фотографските филми или цифрови сензори.
Възприемането на цветовете е важен фактор за интерпретацията на изображения. Обектите отразяват, излъчват и пренасят различни количества енергия при различна дължина на вълните (λ). Тези разлики са събрани като вариации на тон, цвят и плътност върху изображението.
Човешкото око е чувствително само за видимия спектър, чиито дължини на вълните се възприемат като цветове, които могат да бъдат разглеждани като комбинации от цветен тон, интензитет и наситеност при синтеза на трите основни цвята RGB. Интерпретацията на цветните изображения винаги се отнася до RGB комбинации, при каквато и да е дължина на вълните. Интерпретацията на обекти извън видимия спектър не се основава на интуицията. Фотоинтерпретаторът трябва да познава спектралното поведение на обектите в различните обхвати на електромагнитния спектър и как това поведение се влияе от факторите на околната среда.
Използването на изображения в „лъжливи“ цветове е често срещано, което подобрява възможностите на интерпретацията в случай, че една или повече инфрачервени ивици са представени в един от главните цветове.
При термичните инфрачервени изображения, в областта на излъчване, настъпващите вариации в тоновете са свързани с разлики в температурата на повърхността; чрез използването на кодови таблици на цветовете тези тонове могат да бъдат преобразувани от ахроматични/сиви тонове в цветни.
Цветните тонове осигуряват повече информация за обектите и наблюдаваните сцени, отколкото само сивите тонове.
Човешкото око може да различи по-голям брой цветни комбинации (цветен тон, интензитет и наситеност), отколкото сиви нива. Черно-белите изображения всъщност ограничават възможността за наблюдение само до интензитетната скала, тъй като те нямат цветен тон и наситеност. При всички случаи, необходим е добър контраст между обекта и фона, за да различим даден обект.
Черно-белите изображения не подпомагат възприятието на интерпретатора, който помни обектите в една цветна реалност. Близките инфрачервени изображения улесняват интерпретацията и различаването на някои признаци, като усилват контраста със заобикалящите обекти. Използването на селективни светлофилтри подобрява качеството и контраста на изображенията и интерпретацията: сините светлофилтри върху обектива на фотоапарата, получени при цветен филм, изглаждат атмосферните разсейвания, като намаляват ефекта на нефокусиране, предизвикан от атмосферата.
Размер
Размерът се отнася до площта, заета от даден обект, но може също да се отнася и до неговата дължина. Той е, заедно с формата, геометрични признаци на интерпретацията от по-висок клас. Размерът, заедно с формата, височината и сянката, формират основната група от критерии за интерпретация на изображение, която се използва при характеризиране на геометрията на обектите.
Идентифицирането на размера на обекта помага на интерпретатора да фиксира една референтна скала и да определи, не с точност, размера на другите обекти. Техните мерки могат да помогнат на интерпретатора да изключи част от несигурността при идентификацията.
Едно триизмерно изображение на стерео двойки може да помогне при определяне на височината на обектите и извършване на паралаксни измервания, полезни за непряка геометрична характеристика (сгради, размери на дървета). Обемът, който може да бъде получен от една дъбова гора, зависи от размера на дърветата (височина и диаметър), гъстотата на дърветата (дървета на хектар) и размера масива.
Форма
фиг.1
Формата се определя от геометрични граници и осигурява информация не само за идентичността на обекта, но също и за неговата функция и същност. Кръглата, продълговата, линейната (компактна), точковата и т.н. форми са типични за обекти и позволяват тяхната идентификация, тъй като асоциацията на форма с обект е често еднозначна. Някои примери за това могат да бъдат градини, зона за отдих или футболен терен, пътна мрежа или магистрален възел. (фиг.2) Въпреки това, тази връзка не може да е валидна, ако обектът се наблюдава от две различни надморски височини и така един неопитен интерпретатор няма да може да разпознае обекти, които обикновено е виждал от наземна перспектива. Обратно на това, въздушният изглед е често определящ, както например влизането в магистрала е лесно за разпознаване за фотоинтерпретатора.
Веднъж след като перспективата на обекта е определена, може да се извлече важна информация за неговата конструкция, строеж и функция. Илюзията за по-голямата дълбочина на обектите при стереоскопичен изглед може да помогне за разрешаване на проблема и да подобри уменията на фотоинтерпретатора.
фиг.2
Височина
Височината, или нейната противоположност дълбочината, както сянката, е второстепенен по значение геометричен признак на интерпретацията. Опитният фотоинтерпретатор може да изчисли височината или дълбочината на обектите от стереоскопичния изглед на изображенията без да използва паралаксометри, необходими за прецизно измерване. Сравняването на височините на познати обекти може да помогне при идентификацията и измерването. По този начин могат да бъдат преценени височината и дълбочината.
Сянка
фиг.3
Този второстепенен интерпретативен признак може да бъде полезен не само за идентифицирането на обекти, но може също така и да скрие детайли за интерпретацията. Размерът и формата на обектите могат да бъдат получени като се наблюдава тяхната сянка, особено в случаите, когато липсва стереоскопичен изглед. Нейното наблюдение е дискриминационно, ако обектите са много малки и ако има слаб контраст с фона, но не е доловима, ако е хвърлена върху тъмни повърхности или водоеми. Сянката се променя според времето и ориентацията на получаване, според сезона, следователно зависи от азимута и от височината на Слънцето, и чрез планиране на тези фактори е възможно да се намали или увеличи нейното значение за интерпретацията. Обикновено аерофотограметричното заснемане се извършва в пролетно-летния период по време на максималната слънчева енергия около обяд, за да се намалят, колкото е възможно повече, ефектите от сянката. Видимите и отразени инфрачервени сателитни изображения обикновено се събират в интервала 9.30–10.30 сутринта, времето на преминаване над екватора. Това време е избрано поради наличието на по-малко облаци и мъгла и нежелани ефекти от отражението, явления ограничаващи събирателната способност на пасивните оптични уреди, които, в противен случай създават удължени сенки, с по-сериозно изразени последствия през зимните месеци.
Структура
фиг.4
Структурата, заедно с текстурата, е геометричен признак от първостепенна важност, тъй като разпознава обектите според тяхната пространствена позиция. Структурата, или моделът, в дадено изображение, е представена от пространственото разпределение на тоналното повторение на група обекти, както естествени така и създадени от човека, често твърде малки или незначителни, за да бъдат разпознати като отделни единици. Обектите са разположени заедно, за да образуват модел, който да улесни разпознаването от интерпретатора.
Размерът на дърветата, например, се интерпретира въз основа на видимата структура, която се променя в зависимост от мащаба на изображенията. При по-голям мащаб, в една гора може да се идентифицира всяко дърво, но не и неговите листа, които, все пак, допринасят да се определи структурата на неговата корона; при малък мащаб, короните на същата гора допринасят да се формира нейната структура. При подходящ мащаб, пространственото разпределение и честота на тоналните граници на листата, клоните и стеблата осигуряват информация за вида на дървото, тъй като те определят неговия модел.
Текстура
Текстурата може да бъде дефинирана като микро-промяна в тоналното разпределение на изображението, т.е качественото дискриминиране/ разграничаване между два обекта, които имат малки или никакви тонални разлики.
Морфологичните характеристики играят важна роля при текстурата. Признаци като неравност или грапавост, гладкост, изложение и ориентация, повърхностно напластяване, пропускливост на почви и скали, видове и гъстота на растителността, създават характерни светлини и сенки върху изображенията. Пример за това е гладкият или грапав вид на наблюдавана картина: два обекта със средно сиви нива в панхроматично изображение, като водоем и гора, се разпознават по разликата в тяхната текстура.Фотоинтерпретаторът може да оцени разликите между видимо еднакви обекти в дадена сцена, ако той/ тя могат да разберат връзката между текстурата и нейния произход в заобикалящата среда. Текстурата, създадена от човешка дейност се характеризира с линейни и/ или ъглови форми. Различните взаимоотношения между обекти и заобикалящата ги среда създават характерни текстури: тревисти и дървесни култури, изорани полета, напоителни системи, както и жп линия, по-дълга и с по-малко кръстовища от шосе. За анализа на структурата и текстурата спомагат и синоптичните качества на въздушните или сателитни изображения.
Местоположение
Местоположението показва както географската локализация, така и разположението на даден обект по отношение на другите, тъй като заобикалящата среда на даден признак допринася за неговата идентификация.
Местоположението, заедно с другите допълнителни елементи асоциация и време, подпомага взаимовръзките между обектите, явленията и заобикалящата среда; тези признаци описват обектите не както те изглеждат, а спрямо отношенията, които те имат със заобикалящата среда.
Като знаем географското разположение на обектите, намалява броят на възможните интерпретации и допълнителната информация, не непременно получена от изображенията, може да допринесе за идентификацията. Вид, геология, тип почва, растителност, географска ширина, макро- и микроклиматични условия са важни фактори за местоположението. Някои дървесни видове растат добре в мочурища, а други в сухи райони; в средно високи планини може да се очаква да виреят само някои определени растителни видове.
Асоциация
Асоциацията определя пространствените връзки между обектите и явленията. Асоциацията е абстракция за близостта и връзката на обектите и явленията в определена среда. Някои обекти обичайно се свързват с други, така че често единият потвърждава наличието на другия. Например: гъста мрежа от канали насочва към напоителни дейности, градската структура се променя в различни култулни райони и др.
Време
Този признак на интерпретацията на изображения се отнася до мултитемпоралните отношения на обекти и явления. Някои обекти могат да бъдат по-добре идентифицирани, ако се вземат под внимание техните темпорални промени, напр. вегетационните фенологични цикли. [3] Промени, настъпващи в рамките на няколко часа могат да бъдат асоциирани с метеорологични явления или бедствия, като свлачища, земетресения, пожари. Кратковременните (седмици или месеци) промени включват изменения, дължащи се на човешка намеса или агрономически цикли. Средносрочни промени от една или повече години могат да включват изменения на сгради и инфраструктури или бавно развитие на природни явления.
Времето също така се отнася и до момента, в който се извършва едно наблюдение: някои обекти или наземни ситуации могат да бъдат по-добре видяни през зимата, когато биомасата не се явява пречка.
Интерпретацията на изображенията е качествен процес, който дава възможност за определен метричен анализ, противоположен на количествения процеса на автоматична или полу-автоматична класификация. Интерпретацията на изображенията се нуждае от предварителна цифрова обработка на монохроматични или цветни изображения чрез пространствени и спектрални трансформации, които извършват съответно георефериране и подобрение на контраста, за да може интерпретаторът да бъде при най-добри стартови оперативни условия.
Анализът на изображенията и процесът на интерпретация са свързани с уменията на оператора, с неговия опит, както и със способността му да обобщава отделните наблюдения, което все пак е субективно.
Литература
[1] Gomarasca M.A., Basics of Geomatics, Institute for the Electromagnetic Sensing of the Environment, Milano, Italy
[2] Wolf, P. Elements of Photogrammetry with Applications in GIS, 3th edition. IA Madison, McGraw-Hill Companies, Inc., 2000.
[3] Baret F., Guyot G., 1991, Potentials and limits of vegetation indices for LAI and APAR assessment.Remote Sensing of Environment, 35: 161–173.
[4] Richards J.A., Xiuping J., 1998, Remote Sensing Digital Image Analysis, An Introduction, 3rd revisited and enlarged edition. Springer. Berlin.
