Тикунов В. С. Геоинформатика. Координатная привязка и трансформирование изображений. Геокодирование. Ректификация и регистрация.

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу

Координатная привязка и трансформирование изображений. Процедуры геометрической коррекции снимков выполняют для того, чтобы изображение земной поверхности было правильно представлено на плоскости и имело свойства карты. Необработанные снимки, получаемые со спутников и самолетов, являются плоскими изображениями, создаваемыми системами съемки, но даже для кажущейся ровной поверхности искажены за счет кривизны поверхности Земли и применяемого датчика.

Решение многих задач требует предварительного выполнения трансформирования. Среди них можно выделить следующие:
• выявление изменений на разных снимках одной территории, когда требуется попиксельное сопоставление изображений;
• создание мозаик изображений и фотокарт;
• использование снимков в ГИС, в том числе совместно с векторными изображениями;
• получение точных величин расстояний и площадей;
• выполнение географического анализа, требующего точной локализации данных.

Для выбора оптимальной картографической проекции и координатной сетки следует определить преимущественные направления использования всех снимков или базы пространственных данных. Во многих базах векторных пространственных данных используют географическую (сфероидальную) систему координат (ф, л), причем параметры сфероидов могут быть разными. Плоские изображения на снимках обычно не трансформируют в эту координатную систему, хотя это можно сделать.
Для коррекции смещений изображений объектов местности за счет рельефа при наличии ЦМР применяют операцию ортотран-сформирования, которую рекомендуется выполнять для снимков гористой местности или фотоснимков строений, если требуется высокая степень точности координирования.

Различают два основных случая применения трансформирования системы координат снимка:
1) сетка строк и столбцов пиксельного изображения должна быть изменена в соответствии с выбранной в исследовании проекцией и системой координат, например, базовой карты;
2) сетка исходного изображения должна быть изменена в соответствии с сеткой эталонного изображения.

Чаще всего трансформирование используют для преобразования несопоставимых изображений в одну и ту же картографическую сетку координат. Однако для того, чтобы иметь возможность совместного использования или сопоставления отдельных изображений, можно привести в соответствие только их сетки строк и столбцов. При этом необязательно применять картографическую проекцию.
При отсутствии искажений изображения трансформирование выполнять не обязательно. Например, при сканировании снимка или карты в нужной проекции изображение уже плоское и не требует трансформирования, если нет некоторых смещений или поворотов и материалы имеют хорошее качество. В этом случае необходимо выполнить только геокодирование (геоэталонирование) снимка. Для этого часто достаточно откорректировать заголовок файла изображения путем указания прямоугольных координат верхнего левого угла изображения и размера пиксела (соответственно, области, представляемой пикселом). Сетка изображения при этом не изменяется.
В общем случае, при неопределенных свойствах изображений их трансформирование из одной системы координат в другую выполняют с помощью полиномов п-й степени. Они позволяют рассчитать координаты новой сетки строк и столбцов для пикселов исходного изображения по координатам заданных контрольных точек. Но чтобы сохранить зафиксированную снимком яркостную структуру изображения, значения яркости трансформированных пикселов должны быть переопределены (подвергнуты ресамплингу — от названия программы Resampl) в соответствии с новой сеткой.

В некоторых ГИС-пакетах, чтобы подчеркнуть различия указанных выше двух случаев применения трансформирования, для них вводят разные наименования — ректификация и регистрация соответственно. Однако оба типа используют аналогичные наборы процедур, независимо от конкретного приложения:
1) выбор способа трансформирования;
2) локализацию контрольных точек (наземных или с эталонного снимка);
3) расчет ошибок и оценку результатов трансформирования;
4) переопределение значений пикселов и создание выходного файла изображения с новой информацией о координатах в заголовке файла.

Основные правила отбора контрольных точек заключаются в следующем:
• их число должно быть достаточным для выбранного способа трансформирования и удовлетворять соотношению N > (п + 1)(п + 2)/2 (я — степень полинома);
• точки должны располагаться равномерно по всему полю изображения, чем равномернее распределение точек, тем надежнее результаты трансформирования;
• не следует использовать изменчивые объекты местности, такие как берега озер или других водоемов, границы растительности и т.п.

В большинстве случаев при трансформировании не требуется ни полного совпадения всех исходных и ретрансформированных контрольных точек, ни высокой степени полиномов. Оправданный и широко распространенный способ — установление параметра допуска среднеквадратической ошибки, определяемой по формуле

Формула (доступно при скачивании полной версии книги)

Рис. 37. Область допустимых значений средне-квадратической ошибки (доступно при скачивании полной версии книги)

Следующая процедура — создание выходного файла изображения при сохранении яркостной структуры исходного изображения. При этом необходимо переопределить значения яркости пикселов в соответствии с их новым положением, так как сетка пикселов в исходном изображении может иметь другое разрешение и направление осей (рис. 38). Согласно растровой технологии трансформированное изображение заполняется пиксел за пикселом построчно. Процедура переопределения значений пикселов состоит в извлечении значения яркости пиксела исходного изображения с координатами (и, v) и присвоении его пикселу, находящемуся в подходящей точке с координатами (х,у) в новой сетке. Так, например, на рис. 38 пиксел трансформированного изображения с координатами (5,4) в эталонной сетке соответствует координатам (2,4; 2,7) в сетке исходного изображения, в которых значение яркости неопределенно. Его определяют путем интерполяции, используя один из методов: метод ближайшего соседа, билинейной или кубической интерполяции.

Рис. 38. Присвоение пикселам трансформированного изображения б в сетке (х,у) значений яркости исходного изображения а из сетки (и, v): черной точкой показано ретрансформирован-ное положение пиксела, отмеченного кружком в эталонной сетке (по [J.R.Jensen, 1996]) (доступно при скачивании полной версии книги)

Другого вида проблема, связанная с трансформированием изображений, возникает при изучении больших участков местности, представленных несколькими снимками, возможно полученными разными системами или в разное время. Процедура комбинирования снимков для создания одного файла изображения называется созданием мозаики. Выполнение этой процедуры связано с решением нескольких задач: совмещение снимков по координатам, выравнивание их яркостного контраста, задание границы (линии сшивки) между соединяемыми изображениями в области их перекрытия, определение значений яркости пикселов в области перекрытия, создание результирующего изображения.

Скачать полную версию учебника (с рисунками, формулами, картами, схемами и таблицами) одним файлом в формате MS Office Word Скачать книгу