PPC Restart 2024: Vít Janda - E-commerce a Generace Z pohledem výkonnostního ...
3 dpz metody_2011
1. Základy geoinformatiky|Jiří Šmída
Základy geoinformatiky
Téma 4: Dálkový průzkum Země - pokračování
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
2. Obsah přednášky
1. Digitální zpracování materiálů DPZ
1. Základní postupy
2. Předzpracování obrazu
3. Zvýraznění obrazu
4. Klasifikace obrazu
2
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
5. Analogová a digitální data
dva základní formáty dat DPZ:
analogová data – letecká fotografie
digitální data – matice čísel
zpracování analogových dat (fotografií) je
rozvíjeno od počátku fotografie
zpracování digitálních dat rozvíjeno od 70. let
20. st. (2 souvislosti: LANDSAT, výpočetní
technika)
5
6. Topografická a tematická informace
každý obrazový záznam obsahuje informaci
dvojího druhu:
1. inf. o topografických (geometrických)
vlastnostech objektů
např. velikost, vzájemná vzdálenost objektů,
vzájemná poloha objektů
fotogrammetrie (zabývá se topografickou
informací a měřičskými vlastnostmi materiálů
leteckého DPZ)
6
7. Topografická a tematická informace
2. inf. tematická
druh povrchů, kvalita povrchů (např. míra
poškození)
fotointerpretace (metody využívající
interpretačních znaků (vzhled a vlastnosti
předmětů a jevů na snímcích jako je jejich tvar,
tón, barva, stín, velikost, textura, struktura a
poloha a příčinné vztahy) k rozpoznání druhů
povrchů) – letecká fotografie
8. Etapy digitálního zpracování obrazu DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
8
9. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
slouží ke korekci radiometrických, atmosférických a
geometrických zkreslení a šumu, které vznikají v průběhu
vytváření obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
9
10. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
výraznější odlišení jednotlivých objektů v obraze
cílem je pomocí různých technik efektivněji znázornit obraz
pro další vizuální či automatické zpracování
na snímku se provádí filtrace, zvýraznění hran, mění se
kontrast
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
10
11. Etapy digitálního zpracování obrazu DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
tzv. klasifikace obrazu
vizuální klasifikaci nahrazujeme automatizovanou
cílem je identifikace jednotlivých povrchů či objektů
použití různých rozhodovacích pravidel
výsledkem je přiřazení konkrétního tematického obsahu
každému prvku obrazu
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
11
12. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
využití opakovaně snímaných obrazů ke studiu časových
změn
monitorování synoptických procesů v meteorologii
detekce změn ve využívání krajiny
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
12
13. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
cílem je odvodit kvantitativní vztahy mezi daty získaných
metodami DPZ a daty získanými pozemním měřením (např.
fyzikálních vlastností) k modelování a predikci chování např.
životního prostředí v závislosti na změnách podmínek
zapojení metod a technik GIS
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
13
14. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
cílem je vytvářet kombinace různých rastrových dat
(získaných např. z různých senzorů) nebo kombinací s
vektorovými daty
vstup DPZ dat do GIS umožňuje aplikovat další analytické
metody
14
15. Etapy digitálního zpracování obrazu
DPZ
1. Předzpracování obrazu
2. Zvýraznění obrazu
3. Extrahování informace
4. Studium dynamiky jevů
5. Modelování s obrazivými daty
6. Integrace obrazových dat a jejich vstup do GIS
15
16. 2. Předzpracování obrazových záznamů DPZ
Pojmy:
zdroje chyb
chyby systematické a náhodné
šum (noise)
geometrické korekce
radiometrické korekce
16
17. Zdroje a typy chyb
na vznikající obrazový záznam působí řada vlivů,
které mění (snižují) jeho kvalitu
původ:
technické nedokonalosti snímacího zařízení
atmosféra
samotná podstata distančního měření
rozlišujeme:
chyby systematické (opakovatelné, např. zakřivení Země,
rotace Země, mohou být dobře modelovány, korekce na
stanici)
chyby náhodné (kolísání parametrů dráhy nosiče, výpadky
v činnosti detektorů, vliv atmosféry – tzv. šum (noise)
17
18. Cíl 1. fáze = korekce
cílem předzpracování obrazu je úprava jeho
geometrických a radiometrických znaků
radiometrické korekce – úprava DN hodnot
jednotlivých pixelů; součástí těchto korekcí jsou tzv.
atmosférické korekce (cílem je minimalizovat vlivy
atmosféry)
geometrické korekce – transformace souřadné
soustavy obrazového záznamu nebo velikosti
obrazového prvku
18
19. Radiometrické korekce
CÍL: upravit DN hodnoty obrazového záznamu
tak, aby co nejvíce odpovídaly skutečnosti
(skutečným odrazovým či zářivým vlastnostem
objektů)
jedno z řešení: přesná kalibrace měřících zařízení
(např. periodickým snímáním referenčních ploch o
známých charakteristikách)
informace o kalibraci senzorů má každý obrazový
záznam uvedeny v tzv. hlavičce (header)
19
20. Radiometrické korekce
typy chyb:
kompenzace sezónních rozdílů (jsou
dány rozdílnou výškou Slunce v
závislosti na roční době)
náhodné chyby – např. radiometricky
nepřesný nebo zcela chybějící řádek
obrazového záznamu
atmosférické chyby – pohlcování a
rozptyl
radiometrické korekce se provádějí
ještě před geometrickými (zcela
nezbytně v případě náhodných
chyb) 20
21. Geometrické korekce
CÍL: odstranit nežádoucí chyby obrazového
záznamu tak, aby získal požadovaný souřadný
systém nebo kartografické zobrazení a bylo ho
možné použít jako mapu (např. k měření ploch a
vzdáleností)
negativní jevy: kolísání výšky a rychlosti pohybu,
zakřivení Země, atmosférické refrakce, zdánlivé
změny v poloze objektů v důsledku změny
nadmořské výšky
vzájemná poloha objektů v obraze DPZ neodpovídá
jejich poloze ve skutečnosti nelze ho použít jako
mapu 21
22. Funkce/účel geometrických korekcí
transformace obrazových dat do určité mapové
projekce
propojení obrazových dat s prostorovou vektorovou
databází v GIS
porovnání dvou a více obrazů stejného území
tvorba ortofotomap
vytváření mozaiky z několika obrazových záznamů
22
23. Základní pojmy
kartografická projekce – systém vztahů, kterými je
část sféroidu transformována do roviny
souřadný systém – systém použitý každou
kartograf. projekcí k vyjádření polohy objektů
rektifikace – obecně proces transformace polohy
všech obrazových prvků (pixelů) z jednoho
souřadného do jiného souřadného systému
převzorkování (resampling) – proces transformace
DN hodnot každého obrazového prvku z původní
souřadné soustavy do nové
23
24. Základní pojmy
georeferencování – alespoň pro jeden bod
obrazového záznamu dodáme informaci o absolutní
poloze; neměníme DN hodnoty pixelů (data nejsou
převzorkovaná)
georeferencovaná data
geokódování – takový případ rektifikace, během
které jsou data transformována do určité
kartografické projekce
je založeno na sběru identických (vlícovacích)
bodů a polynomické transformaci
geokódovaná data – poloha každého pixelu je
vyjádřena v systému mapových souřadnic; tato data
lze kombinovat s vektorovými daty ve stejné
kartografické projekci 24
26. Základní pojmy
ortorektifikace – proces odstranění dalších
nepřesností daných proměnlivou nadmořskou
výškou záznamu
je zapotřebí DTM (digitální model reliéfu)
ortofotomapy a družicové mapy
26
27. Postup rektifikace obrazu
Rektifikace obrazu založená na polynomické
transformaci a technice identických bodů
1. sběr identických bodů
2. volba stupně transformace
3. výpočet a testování transformačních rovnic
4. převzorkování obrazu
5. rektifikace obrazu
27
28. Rektifikace:
1. sběr identických bodů
identické (vlícovací) body
= body, jejichž polohu lze přesně
určit jak v obraze, který bude
transformován, tak na mapě či jiném obraze, který
má požadovanou projekci nebo souřadný systém
pro každý bod známe:
souřadnice zdrojové (sloupec/řádek v x,y souřadnici)
souřadnice referenční (vzorové/cílové, např. v metrech
nebo zeměpisných souřadnicích)
body musí být rovnoměrně rozmístěny
ideální průsečíky liniových umělých prvků (např.
komunikace)
28
29. Rektifikace:
2. volba stupně transformace
vztah mezi souřadnicemi zdrojovými a cílovými je
vyjádřen formou polynomu n-tého stupně
posunutí, otočení, 2 body
+ zkosení (3 páry)
nejkomplikovanější (4)
rozhoduje o počtu potřebných vlícovacích bodů
29
31. Rektifikace:
4. převzorkování (resampling)
každému obrazovému prvku
výsledného obrazu je přiřazena
nová DN hodnota vypočtená z
obrazu původního
několik základních algoritmů/metod
metoda nejbližšího souseda (nearest
neighbour): pixelu je přisouzena
hodnota nejbližšího původního pixelu;
nejméně přesné, ale zachovává
původní hodnoty pixelů
bilineární interpolace (bilinear
interpolation): nová hodnota je váženým
průměrem čtyř nejbližších pixelů
původního obrazu
31
32. Rektifikace:
5. vlastní rektifikace
stanovení velikost výsledného obrazu (počat řádků a
sloupců)
je vypočtena nová DN hodnota pro každý pixel
32
34. Cíle
CÍL: zvýšit množství informací, které mohou být ze
snímku získány, a to nejen vizuální interpretací
velký počet technik sloužící k úpravě vzhledu snímku
a k usnadnění interpretace (vizuální, automatické)
lidské oko špatně rozlišuje malé rozdíly v
radiometrickém a spektrálním chování objektů a jevů
využití počítačů
34
36. Radiometrická zvýraznění
měníme hodnotu DN každého jednotlivého pixelu
(bodové zvýraznění – pracujeme s hodnotami pixelu
nezávisle na hodnotách jiných pixelů)
pracujeme se
s histogramem
obrazu
odstíny šedi
postupy:
prahování
hustotnířezy
zvýraznění kontrastu
36
37. Prostorová zvýraznění
tzv. filtrace obrazu
novou hodnotu DN určujeme v závislosti na
hodnotách určitého počtu prvků okolních
filtraci používáme pro:
zhlazování snímku
zvýrazňování a detekci hran
zvýraznění textury (=významný interpretační znak,
kvalitativní parametr)
= plošná proměnlivost tónu uvnitř obrazu
37
38. Spektrální zvýraznění
vícepásmové manipulace
digitální obrazová data jsou pořizována většinou jako
multispektrální (v několika intervalech vlnových
délek)
barevná syntéza - skládáním (většinou) tří pásem
barevný obraz
fce: usnadnění vizuální interpretace a vstup do
dalších analýz
38
40. Východiska
každému obrazovému prvku je přiřazen určitý
tematický obsah
vytváříme informační třídy – ty jsou definovány na
počátku klasifikace v klasifikačním schématu
(legenda)
40
41. Klasifikátory
rozhodovací pravidla (klasifikátory) jsou většinou
založena na:
studiu spektrálního chování objektů
geometrických a prostorových vlastnostech objektů (tvar,
velikost, struktura, textura, vzájemná poloha atd.)
podle klasifikátorů lze všechny prvky roztřídit do
určité třídy
41
42. K samostudiu
Dálkový průzkum Země v mikrovlnné části
spektra
pasivní a aktivní metody DPZ
RADAR
zobrazující a nezobrazující radar
mikrovlnný spektrometr
Dopplerův efekt
interferometr
altimetr
skaterometr
42
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
43. Oběžná dráha nosiče
základní vlastnost ovlivňující další parametry systému
oběžná dráha družice = eliptická dráha
rozdíly: výška, poloha dráhy k rovině rovníku
1. rovníkové dráhy
2. šikmé dráhy
3. subpolární dráhy
43
44. Družicové systémy
dle výzkumného zaměření
družice meteorologické
METEOSAT, GOES, NIMBUS, NOAA
družice pro výzkum přírodních zdrojů
LANDSAT, SPOT, IRS
meteorologické družice
na polárních drahách (NOAA)
geostacionární (METEOSAT)
44
45. dostudujte samostatně dle dostupné literatury
Další vybrané aplikace DPZ
45
46. K samostudiu
Rapant, P. 2005. Geoinformační technologie.
Vysokoškolská skripta. VŠB - TU, Ostrava.
Dobrovolný, P. 1998. Dálkový průzkum Země.
Digitální zpracování obrazu. Brno. ISBN 1-879102-
06-4
46
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci
47. děkuji za pozornost
jiri.smida@tul.cz
47
Fakulta přírodovědně-humanitní a pedagogická, Technická univerzita v Liberci