Первинна обробка (нормалізація) даних ДЗЗ

Під первинною обробкою або нормалізацією розуміють набір дій (процесів) які перетворюють вихідну інформацію, отриману наземною станцією прийому, в певні продукти ДЗЗ стандартних рівнів обробки, придатні для подальшого використання.

Основним завданням первинної обробки зображень є виправлення отримуваних даних для досягнення як можна більше правдоподібного зображення земної поверхні.

ДДЗ зазвичай містять цілу низку випадкових, системних і систематичних спотворень, пов'язаних із впливом атмосфери, кривизни Землі, руху знімального апарата щодо її поверхні в момент зйомки, фізичними характеристиками використовуваних датчиків і каналів зв'язку.

Характерною важливою особливістю задач первинної обробки є безумовна вимога їх розв'язання в темпі надходження даних від систем ДЗЗ. Це, по-перше, пов'язане з високою швидкістю надходження відеоінформації. По-друге, без швидкої попередньої обробки не можна зробити оцінку її якості в плані придатності для подальшого використання і архівації, оскільки вихідна інформація характеризується наявністю просторово-часових викривлень (пропусків і руйнувань), імпульсних перешкод і структурних викривлень.

Первинна обробка – це корегування й покращання супутникових зображень, яка включає в себе:

– геометричне корегування супутникових зображень;

– радіометричне калібрування знімків;

– радіометричне корегування впливу атмосфери;

– відновлення пропущених пікселів;

– контрастування;

– фільтрацію тощо.

Примітка. Треба пам'ятати, що деякі методи покращання зображень (фільтрація, зміна контрасту) передбачають зміну спектральних характеристик знімка, тому після їх застосування не можна застосовувати методи тематичної обробки, які ґрунтуються на аналізі значень спектральної яскравості пікселів (класифікації, арифметичні перетворення каналів тощо).

Геометричне корегування (англ.geometric correction, geometric rectification, image registration) – включає в себе: усунення на зображенні геометричних викривлень (орторектифікація) і геоприв’язку. Цей вид корекції на першому етапі може виконуватись автоматично за інформацією про параметри орбіти супутника. Більше точне трансформування й прив'язка знімка до певної координатної системи зазвичай виконується з використанням інтерактивно заданих опорних точок. У процесі трансформування відбувається перерахування значень пікселів на нову сітку растра, при цьому форми об'єктів на зображенні в більшій або меншій мірі змінюються, а рамка знімка зі звичайної прямокутної перетворюється в паралелепіпед або в більш складну фігуру з криволінійними границями. Часто для представлення й спільної обробки матеріалів різних видів (типів) знімань, а також різночасних знімків однієї й тієї ж території, використовується проекція, що називається ортопланом, яка застосовується у світовій практиці як обмінний стандарт. При геометричній корекції фотографічних зображень високої розрізненності усуваються перекручення, які виникають за рахунок рельєфу місцевості.

Причинами геометричних викривлень МДЗ слугують кривизна поверхні Землі, нерівності рельєфу, обертання Землі та рух космічного апарату в процесі формування зображення. Ці причини зазвичай діють спільно. Крім того, треба відзначити, що для різних типів космічних знімків комбінація цих причин може бути різною.

1. Кривизна поверхні Землі. Геометричні викривлення знімків, що спричинені кривизною поверхні Землі утворюються внаслідок того, що точки сканованої місцевості не лежать в одній площині і спостереження ведеться не в надирі, а під кутом до поверхні (рис. 8.2). Тому по мірі віддалення від центральної лінії сканування (де зйомка ведеться в надирі) викривлення форми і розміру об'єктів збільшується [47].

Рис. 8.2. Геометричне викривлення аерокосмічного знімку, що спричинене кривизною поверхні Землі	Рис. 8.3. Геометричне викривлення аерокосмічного знімку, викликане нерівностями рельєфу

Викривлення форми об'єктів. Пряма лінія на місцевості буде кривою на знімку, квадрат прямокутником тощо. Цим типом викривлення можна знехтувати, якщо кут огляду сканера невеликий (наприклад, у знімальній системі MSS –- Landsat, кут огляду приблизно становить 5,8°).

Викривлення масштабу. Для знімків, що виконані оптико-механічним сканером (MODIS, AVHRR, ETM і MSS – Landsat, Aster (TIR)) – масштаб при віддаленні від центральної лінії знімка стає дрібніше. Тобто, якщо взяти два пікселя знімка: один з центральної області знімка, а другий з бокової, то піксель з бокової області буде містити більшу площу поверхні, хоча їх розмір однаковий.

Примітка. Для знімків, отриманих за допомогою приладів ПЗЗ (супутники SPOT, IRS, Ikonos, датчик Aster (VNIR, SVIR)) масштаб при віддаленні від центральної лінії знімка не змінюється.

2. Нерівності рельєфу.Нерівності рельєфу спричиняють ті ж викривлення, що й кривизна поверхні, Землі, але задача їх усунення складніше, оскільки форми рельєфу значно складніші форми Землі, яка близька до сфери (рис. 8.3).

Примітка. Оскільки космічні знімки виконуються з великої висоти, то вплив форм рельєфу не є значним, тому даний тип викривлень враховують лише для гірських районів.

3. Обертання Землі. Оскільки сканування Землі з космосу відбувається не миттєво, як при фотозйомці, то обертання Землі (за 1 хв. Земля повертається на 0.25°) викликає зміну умов знімання в процесі сканування однієї сцени [26].

4. Рух космічного апарата в процесі формування зображення. На якість і властивості знімків впливає форма і висота орбіти супутника. Наприклад, кругова орбіта забезпечує однакову висоту знімання земної поверхні, а отже, для однієї й тієї ж апаратури – однакове охоплення і розрізнення знімків.

Радіометричне калібруваннязнімків (англ. radiometric correction, spectral correction) це калібрування значень вихідного сигналу знімального приладу і їх переведення в абсолютні значення альбедо і радіаційної температури. Знімки, що первісно отримуються із супутників, записані у вигляді так званих ”сирих значень” яскравості DN (Digital Number). Дані в такому форматі не можна адекватно порівняти з даними інших зйомок.

Задача радіометричного калібрування полягає у приведенні цих значень у фізичні одиниці. Калібрування здійснюється з використанням даних телеметрії, що надходять з супутника разом із зображенням і калібрувальних коефіцієнтів і які розраховуються для кожного знімального приладу за результатами наземних і льотних випробувань. Калібрування полягає в перетворенні безрозмірних даних, що отримуються з датчиків окремих спектральних зон в істинні нормалізовані значення відбитої або випромінюваної енергії.

Формула для калібрування багатозональних знімків в оптичному діапазоні має вигляд:

B*_λ=K_λDN+C_λ

де B*_λ – це енергетична яскравість для спектральної зони λ;

DN – ”сирі” значення яскравості;

K_λ – калібрований коефіцієнт;

C_λ – калібрувальна константа, що відповідає мінімальній величині яскравості, що реєструється.

Для сканерних знімальних приладів такі дефекти спостерігаються візуально як модуляція зображення (смуги) в напрямках паралельно або перпендикулярно осі зображення. При радіометричному корегуванні також видаляються дефекти зображення, що спостерігаються як збійні пікселі зображення.

Радіометричне корегування впливу атмосфери.При проходженні через атмосферу ЕМХ поглинаються і розсіюються. Причиною поглинання і розсіювання є: озон, водяна пара, вуглекислий газ, кисень, метан, пил, дим (рис. 8.4) [47].

Рис. 8.4. Поглинання, розсіювання і хмарність спричиняють викривлення значень яскравості пікселів на знімках

Хмарність є перешкодою тільки при зніманні в оптичному діапазоні. Поглинання, розсіювання і хмарність спричиняють викривлення значень яскравості пікселів на знімках.

Способи корегування впливу атмосфери на ДЗЗ:

– за допомогою непрямих методів – за вмістом в атмосфері водяної пари і аерозолів (диму). Оскільки хмари і тумани добре видні на фоні води, то в червоному і ІЧ ділянках спектра поверхня води за своїми оптичними характеристиками наближається до абсолютно чорного тіла. Тому вміст наведених чинників можна оцінити і скорегувати за знімками, що включають ділянки морів і океанів;

– за допомогою математичних методів побудови моделей стану атмосфери з урахуванням типів розсіювання в атмосфері, пори року, метеорологічних даних. Для уточнення таких моделей використовують наземний вимір відбивної здатності об'єктів під час польоту супутника.

Відновлення пропущених пікселів.”Пропущені пікселі” можуть виникнути під час зйомки або передачі даних, також трапляється заміна значень яскравості цілого рядка значеннями сусіднього рядка. Такі явища можуть стати перешкодою при тематичній обробці знімка. Пропущені пікселі можна відновити шляхом інтерполяції з певною погрішністю (рис. 8.5) [47].

Рис. 8.5. Відновлення ”пропущені пікселів” шляхом інтерполяції

Контраст зображення – це різниця між максимальним і мінімальним значеннями яскравості.

Слабкий контраст (рис. 8.6 а) – найбільш поширений дефект фотографічних, сканерних і телевізійних зображень, зумовлений обмеженістю діапазону відтворених яскравостей. Шляхом цифрової обробки контраст можна підвищити, змінюючи яскравість кожного елемента зображення і збільшуючи діапазон яскравостей (рис. 8.6 б).

Операція підвищення контрастності знімка може бути використана при візуальному дешифруванні знімків (наприклад, щоб підкреслити границі об'єктів). Існує декілька методів підвищення контрасту шляхом цифрової обробки [47].

а) б)

Рис. 8.6. Корегування слабкого контрасту:

а) неконтрастне зображення; б) контрастне зображення

Методи підвищення контрасту:

– лінійне розтягування гістограми. Всім значенням яскравості привласнюються нові значення з метою охопити весь можливий інтервал зміни яскравості (0, 255) (рис. 8.7, рис. 8.8);

а)	б)
Рис. 8.7. Лінійне розтягування гістограми: а) – вихідний знімок; б) – діапазон значень яскравості від 126 до 165, середнє = 140

а)	б)
Рис. 8.8. Лінійне розтягування гістограми: а) знімок після лінійного розтягування гістограми; б) діапазон значень яскравості від0 до 255, середнє =136.7

– нормалізація гістограми.На весь можливий інтервал зміни яскравості розтягується не вся гістограма, а її найбільш інтенсивна ділянка (рис. 8.9).

а)	б)
Рис. 8.9. Нормалізація гістограми: а) – знімок після вирівнювання гістограми; б) – діапазон значень яскравості від 0 до 255, середнє =115.9

Фільтрація – це перетворення, яке дозволяє підсилити відтворення тих або інших об'єктів, зменшити небажане вуалювання, усунути інші випадкові перешкоди (шум).

Один найпростіших способів фільтрації – перетворення в ковзному вікні. При такому перетворенні перераховуються значення яскравості всіх пікселів зображення. Перерахунок здійснюється для кожного пікселя наступним чином. Коли даний піксель стає центральним у вікні, що ”рухається” по знімку, йому дається нове значення, яке є функцією від значень пікселів, що його оточують (рис. 8.10) [47].

	Якщо вагові коефіцієнти усіх пікселів у вікні однакові, зображення буде згладженим.
	Якщо ваговий коефіцієнт центрального пікселя у вікні значно вище інших, то зображення стане більш різким.
	Якщо вагові коефіцієнти вертикально розташованих пікселів у вікні будуть значно вище інших, на зображенні виділяться лінії меридіонального напрямку.

Рис. 8.10. Перетворення у ковзному вікні