Комплекс за анализ на мултиспектрални снимки

Инж. ЯНА АНГЕЛОВА, ГЕОДЕТЕКТ ЕООД

Общи сведения

В последните години активно започна използването на снимки на земната повърхност, регистриращи отражението на светлината не само в оптическия диапазон, но и в спектрални диапазони, невидими за човешкото око. Тези снимки се наричат мултиспектрални, защото за разлика от цветните снимки съдържат повече от три канала.

Тъй като мултиспектралните снимки съдържат спектрална информация, невидима за човешкото око, възниква проблем при визуализацията на тези снимки. За решаването на този проблем съществуват два основни подхода: невидимите канали (или комбинация от тях) да се покажат като видими (червен, зелен или син) или да се изобрази с цвят от палитрата, индексът, на който се изчислява въз основа на интензитета на цветовете в невидимия спектър. Освен за показване каналите, невидими в оптическия диапазон могат да се използват съвместно с цветовите канали при математическата обработка за решаване на задачи за дешифриране и анализ на изображенията.

Мултиспектралните изображения се използват предимно за анализ на растителната покривка, поради особеното отражение на светлината в червения и инфрачервения канали от хлорофила. За определяне състоянието на растителността са разработени така наречените вегетационни индекси – показатели, изчислени по стойността на яркостта в червения и инфрачервения диапазони. Освен за анализ на растителността вегетационните индекси се използват широко и за анализиране състоянието на атмосферата, хидросферата, в геологията и много други области.

Мултиспектралните снимки обикновено се предоставят в широко разпространения формат TIFF.Най-често на един пиксел от канала се заделят 16 бита (въпреки че реалната дълбочина на цвета в такива растри обикновено е 11 бита). Поради факта, че стандартните монитори работят с изображения с дълбочина на цвета 8 бита, възниква проблем с преобразуването на 16 битови изображения в 8 битови. За целта се използват автоматични алгоритми за първоначално изобразяване на растера и ръчни инструменти за коригиране, основани на анализ на хистограмата на реалния диапазон на яркостта по канали.

В Конструкторско бюро (КБ) „Панорама” (Москва, Русия) е разработен Комплекс за анализ на мултиспектрални снимки. Той позволява да се извършват анализи и статистика на мултиспектрални данни и да се управлява тяхното изображение.

Комплексът за анализ на мултиспектрални снимки е реализиран като динамично зареждана библиотека tiffprof.dll.

Спектрални свойства на снимката

Режимът е предназначен за показване на статистика по каналите на снимката (фиг.1).

Резултатът се изобразява във вид на графика, където по ос Х е номерът на канала, по ос У – средната интензивност.

Фиг. 1. Спектрални свойства на снимката.

Резултатите от обработката могат да бъдат съхранени като графика и статистически данни във формат на Excel.

За разчет на статистиката по обекти към растерната карта трябва да бъде добавена векторна карта с площни или затворени линейни обекти.

Възможно е съхраняване на изображенията в стандартни растерни формати ВМР, WMF, EMF, JPGи други.

Хистограма на яркост по каналите

В този режим се извежда статистика на мултиспектралните снимки по канали и се построява хистограма на яркостта за всеки канал с управление детайлността на резултата (фиг.2). По ос Х се извежда интензивността на цвета (яркост на пиксела), а по ос У – количеството, съответстващо на стойността на интензивността.

При определяне диапазона наинтензивносттапотребителят може да въвежда броя на групите (класовете) за изчисляване на съответните стойности. Минималната и максималната стойност на интензивността за всички канали се показва в съответните полета.

В таблицата със списъка на каналите могат да се управляват изображението и цвета на всеки канал. Възможно е някой канали от изображението на хистограмата да бъдат изключвани. Цветовете на каналите са указани произволно и могат да бъдат променяни от потребителя.

Фиг. 2. Хистограма на яркостта.

Хистограмата и статистическите данни могат да бъдат запазени във формат на Excel и в стандартни растерни формати.

За разчитане на статистиката по обекти също е необходимо да се добави векторна карта с площни или затворени линейни обекти.

Канали на мултиспектралната снимка.

Фиг. 3. Настройка на изобразяваните канали.

Достъпни са два режима за настройка показването на мултиспектралните изображения (фиг. 3):

–        RGB режим;

–        вегетационен индекс.

В RGB режим е необходимо да се укажат номерата на каналите, съответстващи на синия, зеления и червения цвят. Номерата на каналите се указват от производителя на снимачната техника. Понякога е полезно да се избере различно съчетание на каналите, за да се получат необходимите характеристики на снимките. Може да се изключи определен канал от списъка с достъпни канали.

Вегетационният индекс е показател, изчислен по стойностите на яркостта в различните спектрални диапазони. Той характеризира състоянието на растителността. Обикновено за оценка на растителността се използват червения и инфрачервения канали, поради особеното отражение на светлината в тези диапазони от хлорофила.

Изчисленият индекс се изобразява с определен цвят от палитрата. Може да се използва предварително зададена сива или цветна палитра, или да се импортира от RSW или MTQ.

Изчислената стойност на вегетационния индекс се преизчислява в индекс от палитрата чрез линейна интерполация на допустимите стойности в обхвата от 0 до 255 (255 е броят на цветовете от предварително зададената сива или цветна палитра, за импортирана палитра броят на цветовете може да е различен). Например за NDVI нулевия цвят от палитрата съответства на вегетационния индекс -1, а 255-ти цвят – на вегетационен индекс 1. Само за RVI се използва нелинейно преобразувание: RVI от 0 до 1 съответства на диапазон от цветовата палитра от 0 до 127, RVIот 1 до 255 съответства на диапазон от цветовата палитра от 127 до 255.

Изображението с текущите настройки може да се запази в друг файл. В RGB режим изображението се запазва в RSW с дълбочина на цвета 24 бита (8 бита на 3 канала).

Вегетационният индекс се съхранява в матрица на качеството MTQ, в която се записват реалните стойности без привеждане към диапазона на палитрата. Вегетационният индекс може да се запази и в RSW файл.

Ако има отворени няколко мултиспектрални снимки те могат да се настроят съвместно (по подразбиране) или всяка една поотделно.

Използване на вегетационните индекси за подобряване дешифровъчните свойства на снимката

Освен за оценка на вегетационната активност на растителността, изобразяването на вегетационните индекси с предварително настроена палитра позволява да се подобрят дешифровъчните свойства на мултиспектралната снимка. Различните повърхности имат различни стойности на вегетационен индекс. Например, за NDVI различните повърхности имат следните стойности.

Таблица 1. Стойности на вегетационния индекс.

Стандартната цветна палитра за показване на индекса NDVIпозволява да се различат четири типа обекти – растителност, почва, сняг и вода. За изследване на определени материали и различни видове повърхности палитрата може да се измени. В този случай може да се открият на снимката обекти, невидими в RGB или в комбиниран режим на изобразяване.

На фиг. 4 и фиг. 5 са показани изображения в RGB и NDVI режими. От тях е видно, че изобразяването на индекса NDVI с настроена цветна палитра позволява по-ясно да се идентифицират растителността, хидрографията, обработваемите земи и изкуствените съоръжения.

Фиг. 4. Изображение в RGB режим.

Фиг. 5. Изображение в NDVI режим.

Ръчното дешифриране и векторизиране на мултиспектрални снимки е труден и продължителен процес. За целта може да се използва „Комплекс за автоматизирано дешифриране и векторизиране на данни от дистанционни изследвания”, разработен от КБ „Панорама” (Москва, Русия). Освен топографско дешифриране комплексът позволява да се извърши и мултиспектрална класификация. За целта потребителят може да използва статистическите и текстурните признаци на всеки от каналите на растера или на виртуалните канали, изчислени по формулата за NDVI.