Аэрокосмические методы
Структурная схема дистанционных методов Объект Атмосфера Приемник Съемочная система Вид съемки Методы регистрации Дистанционные материалы интерпретация фотометрия дешифрирование фотограмметрия картографирование
основные виды излучений пассивное естественные, природные энергетические потоки активное искусственно созданные энергетические потоки
Пассивное излучение = 2 -3 мкм – граница но ен ж ра От отраженного и собственного излучений е из соб лу ст че ве ни нн е З ое ем л энергетические потоки из земных недр ч. лу из и земная поверхность поглощенное излучение
Диапазоны электромагнитного спектра 1 мм=1000 мкм у/ф мкм 0, 001 видимый 0, 4 0, 8 радио ик 1 мм 3 м
Видимый диапазон 800 нм 400 Цветовые зоны фиолетовая 390 -450 нм синяя голубая зеленая желтая оранжевая красная 450 -480 480 -500 500 -575 575 -590 590 -620 620 -800 нм нм нм 1 мкм=1000 нм
Инфракрасный диапазон 0, 8 мкм 1, 5 ближний 3 средний Отраженный ИК (ближний) 20 дальний (тепловой) тепловой ИК (собств. излуч. ) 1 мм
Радио диапазон м дм см мм Микроволновый диапазон мм 1 1000 пассивное излучение СВЧ диапазон см 0, 8 3, 8 2, 4 30 15 7, 6 100 K X C S L P 1, 6 3 5, 6 11 22 75 3 м активное излучение
Основные свойства излучений интенсивность сколько? спектральный состав что? характер распространения в пространстве как?
Оптические свойства объектов в видимом, ближнем и среднем ИК диапазонах (отраженное, пассивное излучение) яркость В коэффициент интегральной спектральной яркости r r контраст к индикатриса отражения
Яркость Единица измерения Вт/ ср. м 2 Стерадиан – телесный угол, вырезающий на сфере поверхность, площадь которой равна квадрату радиуса сферы. Факторы влияния на яркость экспозиция Наклон поверхн. Напр. визирования Угол визи р. высота солнца рельеф Азимут визир. Взаимное положение солнца, объекта, съемочной системы Заболевания (с/х культуры, лесные массивы) Время суток Экологич. условия сезон состояние объекта освещенность влажность физико-химические свойства объекта
Коэффициент интегральной яркости B 0 – яркость эталона (абсолютно белая, шероховатая матовая поверхность, r=1)
Коэффициент спектральной яркости Спектральная кривая
Яркостной контраст визуальный относительный K Интервал яркостей λ 0, 4 0, 5 0, 6 0, 7 0, 5 -0, 6 – максимальный контраст между объектами
Индикатриса отражения однородные поверхности шероховатые гладкие Расчлененные, изрытые поверхности Ортотропная (Ламбертовская индикатриса) Обратная (антизеркальная) индикатриса Ровные песчаные, снежные поверхности Зеркальная индикатриса Спокойная водная поверхность, гладкие ледяные поверхности, отполированные скалы, такыры Леса, кустарники, пахота, посевы пропашных культур Проводимая съемка – фотографическая (видимый диапазон) и оптико-электронная
Тепловое излучение в ИК-диапазоне– собственное, пассивное, исходящее только от поверхности Земли Излучающий слой – 0, 02 мм. σ - постоянная Стефана-Больцмана Идеальный излучатель – абсолютно черное тело λmax интенс. =2898/Т мкм λmax измен. интенс. =2411/Т мкм λ max Солнца =0, 50 мкм (Т=5800 К) λ max Земли =10, 3 мкм (Т=280 К)
Коэффициент излучения реальных объектов (излучательная способность) ε абс. ч. тела=1
Серые и селективные излучатели Селективные излучатели Излучательная способность Серые излучатели λ, мкм Спектральная излучательная способность некоторых горных пород: 1 – песчаник; 2 - базальт
Радиационная температура Регистрация тепловые контрасты (без количественных характеристик, тепловой снимок) Традиционная Проводимая съемка - тепловая
Излучение в радиодиапазоне Собственное, пассивное (м/в) Отраженное, активное (свч) диэлектическая постоянная (проницаемость) (ослабление излучения при прохождении через конкретную среду; для ДЗ значимы влажная и соленая среды) проникающая способность излучения под поверхность Земли через облачные покровы
Микроволной диапазон тепловое излучение (слабее, чем в ИК-диапазоне) =1 мм-1 м (1 -100 мкм) формируется излучающим слоем (skin-слоем) толщина skin-слоя растет с увеличением яркостная температура (радиояркость) растительности=0. 9 Т почв. покровов=0. 8 Тя водных поверхностей=0. 4 ландшафта=250 -300 К ландшафта=100 -300 К
Коэффициент излучения ε зависит от: ü электрофизических свойств объекта ü характера поверхности (растет с увеличением шероховатости) ü длины волны (спектральный ход) ü угла наблюдения Проводимые съемки: ü радиотепловая (микроволновая, радиотепловой снимок) ü многочастотная радиометрия
СВЧ диапазон Коэффициент обратного рассеяния ü уменьшается с увеличением Диаграмма обратного рассеяния гладкие поверхности (<0, 5 ) отражают зеркально зависит от угла визирования (увеличивается или уменьшается при зависит от геометрических свойств объекта вертикальной и горизонтальной максимум отражения определяется поляризации соответственно) ü ü ориентацией основных отражающих поверхностей. от шероховатости от содержания воды (диэлектрическая постоянная) ü Проникающая способность через облака проявляется на =1 -2 см полностью на =2 -5 см. Проникающая способность под поверхность Земли зависит от свойств объекта и (увеличивается с возрастанием λ от мм до десятков м)
СВЧ диапазон Короткие (K, X, C диапазоны) – хорошая разрешающая способность, выявление мелких объектов. Длинные (S, L, P диапазоны) – ухудшение разрешающей способности, выявление крупных объектов. Поляризация излучения – зондирующего и отраженного подобная поляризация HH, V V поперечная поляризация HV, VH - Максимальный сигнал – для гладких поверхностей с однократным отражением для шероховатых поверхностей, с многократным отражением от поверхностей, параллельных плоскости поляризации. Тенденция развития: многочастотность + множественная поляризация Проводимая съемка - радиолокационная
Влияние атмосферы рассеяние молекулярное 1/ 4 поглощение аэрозольное О 2 , О 3 У/Ф свечение атмосферы (дымка) голубая 9, 6 -О 3 Н 2 О 1, 45 1, 95 2, 3 -3, 4 4, 5 -8, 0 серая полосы поглощения СО 2 2, 7 4, 3 15, 0
Влияние атмосферы Ослабление проходящего излучения Коэффициент прозрачности Окна прозрачности 3 -5 мкм (ночь) 8 -12 мкм (день, ночь) 8, 6 мм
Прозрачность атмосферы
диапазон видимый Р К О С Т Ь окна прозрачности при любом состоянии атмосферы при λ>2 -5 см 3 -5 мкм У Г О А Л ОСВЕЩЕННОСТЬ Ж В И мощность обратного рассеяния, коэффициент обратного рассеяния Тяркостная НОЧЬ Л отраженное активное (В) Д Е Н Ь В мм, см, дм, м (до 3 м) собственное пассивное Б Е З О Б Л А Ч Н О время наблюдения СВЧ 1 -100 3 -15 Традиационная атмосферные условия факторы влияния 3 -1000 отраженное пассивное отраженное активное Я микроволн. мм 1 -1000 дальний средний 1. 5 -3 ближний 0. 8– 1. 5 мкм 0. 4 – 0. 8 излучение регистрируемый параметр ИК Д Е Н Ь 8 -12 мкм О И Н О Ч Ь 8. 6 мм Н З И Р С О В Т А Н Ь И Я ШЕРОХОВАТОСТЬ, ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОСТОЯННАЯ ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ особые приметы ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Спектральные кривые горных пород и почв Плавное возрастание яркости с увеличением λ до 1, 6 -2 мкм с последующим убыванием до 2, 5 мкм и с двумя минимумами на 1, 45 и 1, 95 мкм (полосы поглощения Н 2 О) rλ 0, 4 1, 45 0, 95 2, 5 λ
Факторы влияния на яркость почв: ü светлоокрашенные соединения (карбиды, соединения кремния и алюминия); ü темные гумусовые вещества; ü железистые соединения; ü влажность; ü гранулометрический состав; ü механический состав.
Спектральные кривые горных пород и почв Влияние светло-окрашенных соединений 2 1 увеличение светлоокрашенных соединений 3 Коэффициенты спектральной яркости распаханных массивов почв: 1 – дерново-подзолистая суглинистая; 2 – среднеподзолистая супесчаная; 3 – сильноподзолистая песчаная
Спектральные кривые горных пород и почв Влияние железистых соединений В Увеличение содержания гумуса Влияние гумуса В λ оранж. кр. λ
Спектральные кривые горных пород и почв Влияние влажности 2 3 Содержание влаги: 1. 0 -4%; 2. 5 -12%; 3. 22 -32% увеличение влажности 1
Спектральная кривая растительности 0. 9 1. 3 1. 45 0. 55 1. 95 0. 45 -0. 47 0. 68 -0. 69 Факторы влияния на яркость растительных покровов: ü оптические свойства листьев; ü отражающая способность почв при несплошном растительном покрове; ü возрастений; ü экологические условия произрастания; ü геометрия растений.
Влияние почв при несомкнутом растительном покрове Влияние оптических свойств листьев (на примере яркости посевов с изменением проективного покрытия) 1 1 2 2 3 4 1 5 2 Проективное покрытие: 1–всходы отсутствуют (почва) 2 - 20%; 3 – 40%; 4 – 70%; 5 – более 80%; Влияние возраста и условий произрастания 1 2 Коэффициенты спектральной яркости крон деревьев в разные периоды вегетации: 1 – береза; 2 – ель. rλ взрослые неблагоприятные условия молодые λ
Спектральная кривая водных поверхностей взаимодействие солнечного света и водной толщи rλ с 0, 8 λ 50 -100 м Ж 20 м КР 10 м БЛ-ИК
Факторы влияния на яркость водной поверхности: 1. глубина; 2. взвеси; 3. фитопланктон 4. донные отложения rλ влияние взвесей ж-з Ж-З λ rλ высокая концентрация, смещение max в более длинноволновую часть влияние фитопланктона кр. малые и средние концентрации λ λ ор-кр малые и средние концентрации, пропорциональность max и концентрации син. rλ rλ син. кр. высокая концентрация λ
Снег и облака rλ λ 0, 8 Факторы влияния на яркость снежных и облачных покровов: уменьшение яркости – наличие воды (дождевые облака, тающий снег) – загрязненность
Спектральные кривые природных объектов 1 2 3 4 Обобщенные кривые спектральной яркости основных классов природных объектов: 1 – облачные и снежные поверхности; 2 - горные породы и почвы; 3 – вегетирующая растительность; 4 – водные объекты.
Приемники излучения ü пространственное разрешение; ü ü ü общая спектральная чувствительность; спектральное разрешение; радиометрическое разрешение; тепловое разрешение; временное разрешение. Пространственное разрешение a – размер датчика f – фокусное расстояние оптической системы H – высота орбиты (полета) Влияние контрастности на пространственное разрешение Влияние формы объекта на пространственное разрешение 5 м линейный объект 5 м площадной объект
Общая и спектральная чувствительность выходной сигнал поступающее излучение выходной сигнал λ неселективный приемник чувствительность приемника поступающее излучение селективный приемник
Спектральное разрешение Число и ширина спектральных интервалов, для которых приемник раздельно регистрирует излучение. 60 нм 10 нм Спектральное и пространственное разрешение находятся в отношении противоположности. хорошее пространственное разрешение ― панхроматический режим хорошее спектральное разрешение ― многозональный, гиперспектральный режим
Радиометрическое разрешение 8 бит на пиксел 256 уровней яркости (сырые яркости, DNs-Digital Number) 10 бит на пиксел 1024 уровня яркости 11 бит на пиксел 2048 уровней яркости 12 бит на пиксел 4096 уровней яркости
Съемочные системы оптические по диапазону э-м спектра радиотехнические по способу построения изображения кадровые строчные фотографические по используемым приемникам по регистрируемому излучению оптико-электронные пассивные активные
Съемочные системы радиотехнические о п т и ч е с к и е приемник диапазон фотографические оптико-электронные ВИД, Бл-ИК ВИД, ИК светочувств. слои чернобелые цветные спектрозо нальные фотоаппарат электрические ПЗСматрицы а н т е н н ы РЛС, РСА (активн. ) ПЗС-линейки цифровая фотокамера сканеры оптикоэлектрон ный к а д р о в ы е СВЧ М/В гипер спект ральн. с т инфракрас ный радиометр р о ч микроволно вый радиометр лидар (актив) н ы е
Активные съемочные системы Активные системы – радиолокаторы, лидары – позиционируют отраженный сигнал по времени его возврата. Радиолокатор бокового обзора Строка РЛ -снимка
Способы регистрации по методу получения результатов ü аналоговая ü цифровая ü в широком спектральном диапазоне, интегральная регистрация (в видимом диапазоне – панхроматический режим) ü в узком спектральном диапазоне (спектральная регистрация) ü многозональная регистрация; ü гиперспектральная регистрация по технологии по форме получаемых результатов ü с построением изображения; ü без построения изображения количественные определения (без построения изображения) результат регистрации съемочные системы энергетические ИК-, М/В радио метр Тя , Трад. спектральноэнергетические высотные качественные яркостные различия (с построением изображения) интегральная (суша, Мировой океан) многозональная (спектральная) спектральная кривая лидар, РЛС высоты по профилю, цифровая модель местности цифровые камеры, сканеры, РЛС, РСА аналоговая регистрация спектрометр фотоаппарат цифровая регистрация снимок попиксельная матрица интегральных или зональных уровней яркостей (сырых яркостей, DNs)
Виды съемок радиодиапазон оптический диапазон оптико-электронные фотосъемки цветная спектрозональная панхрома тическая в и д и м ы й, Бл-ИК для фотосъемок чернобелая зональ ная многозона льная +панхром видимый, ИК для оптикоэлектр. съемок тепло вая дальний ИК лидарная (лазерная) У/Ф, видимый, ИК гиперсп ектраль ная видим ый, ИК радиотепловая (микроволнова я, радиометрич еская) М. б. мн огочас тотной радиолок ационная X, C, L… X+ C+ L… разл. поляр изаци и
Космические программы Оптико-электронные космические аппараты
Космические программы Радиолокационные космические аппараты
Цифровая обработка снимков Спектральное пространство – множество зональных яркостей цифрового снимка.
Форматы записи данных 1. BIP (Band Interleaved by Pixel) 2. BIL (Band Interleaved by Line) 3. BSQ (Band Sequential) P 1 P 2 L 1 L 2 B 1 B 2 B 3
Методы цифровой обработки изображений ü ü ü яркостные и геометрические преобразования: радиометрическая и геометрическая коррекция, улучшение качества цифровых изображений; создание производных изображений; автоматизированное дешифрирование, классификация объектов по снимкам. Радиометрическая коррекция: ü ü перевод DNsв реальные физические величины – B, r ; устранение влияния освещенности за счет атмосферы, рельефа, высоты солнца, геометрии съемки. Геометрическая коррекция: ü ü трансформирование по орбитальным данным (искажения за кривизну Земли, вращение Земли, неравномерность движения носителя); по опорным точкам перевод в определенную проекцию.
Улучшение качества цифровых изображений: ü повышение контраста; ü квантование + цветокодирование; ü эквализация гистограмм; ü фильтрация. Повышение контраста Bij =(Bij –Bmin)x 255/(Bmax –Bmin)
Квантование при равномерно развивающихся процессах (t°, соленость, фитопланктон) равномерные ступени при объектах, резко различающихся по яркости (залесенные и безлесные территории, вспаханные и невспаханные пашни и т. п. ) неравномерные ступени ü ü Эквализация гистограмм - нелинейное изменение контрастов
ü Уменьшение контрастов (огрубление изображения) в зонах, соответствующих краям гистограммы; ü Увеличение контрастов на модах, пиках гистограммы.
Фильтрация – взвешенное усреднение пикселов в некотором окне
Фильтрация Пространственная частота – число изменений значений яркости на единицу расстояния. Фильтры статистические, высокочастотные, для выделения границ и линейных объектов. Высокочастотный фильтр: выходные значения яркостей центральных пикселов -1 -1 -1 нулевые -1 8 -1 низкие -1 -1 -1 экстремальные Типы границ и линий
Создание производных изображений ü синтезирование; ü индексные изображения; ü метод главных компонент. Синтезирование – переход к новой координате – цвету. C=a 1 R+a 2 G+a 3 B, где R, G, B – цветовые компоненты, определяемые яркостью пиксела в принятых для синтезирования спектральных зонах; a 1 , a 2, a 3 - обычно стандартные величины в 3 конкретных программных продуктах. Три наиболее распространенных варианта синтеза. Цветовые компоненты R G В растительность открытые почвы вода Яркости в спектральных каналах I кр зел гол натуральная цветопередача зеленая серо-коричнев. синяя II бл. ИК кр зел ложная цветопередача красная серо-голубые черная III кр бл. ИК зел искаженная цветопередача зеленая розов. (сиренев) фиолетовая При большом количестве спектральных каналов для синтеза избираются каналы, яркости которых наименее коррелированы между собой
Индексные изображения Новые яркости пикселов – на основе математических операций с зональными значениями яркости. Они могут быть простыми (разность двух зон), и более сложными (построение функций от значений в нескольких зонах). Методологическая основа – индивидуальное соотношение спектральных яркостей у разных объектов и для разных их состояний (т. е. учет спектральной кривой). Применение: оценка и картографирование растительности, биопродуктивности сх культур и угодий, содержание хлорофилла в морской воде. Вегетационные индексы: VI (Vegetation Index) = Bбл. ИК/Bкр – выделяет площади, занятые растительностью, индикатор сомкнутости растительного покрова; снимает влияние освещенности. NDVI (Normolised Differense Vegetation Index)-нормализованный разностный вегетационный индекс = Bбл. ИК – Вк / Bбл. ИК + Вк - для водных объектов отрицательное значение, для почв, грунтов, сухой растительности близок к 0, max-для вегетирующей растительности; удобен для изучения сезонной динамики растительности.
Метод главных компонент (Principal Component) Зональные яркости объекта обладают определенной корреляцией, следовательно, зональным изображениям присущи некоторые общие особенности. Суть метода – создание новых зон-компонент, яркости которых не будут коррелированы, и в каждой компоненте проявятся свои «рафинированные» особенности. Поворот осей спектрального пространства и перенос осей в центр масс.
Метод главных компонент (Principal Component) ü Первая главная компонента (ГК 1, РС 1) соответствует большой оси эллипса рассеяния. По новым значениям яркостей строится изображение ГК 1. ü Вторая главная компонента (ГК 2, РС 2) соответствует малой оси эллипса рассеяния и перпендикулярна ГК 1. ü В n-мерном спектральном пространстве каждая последующая ГК – одно из поперечных сечений гиперэллипсоида, ортогональных предыдущим ГК. ГК ранжированы по дисперсии. ГК 1 - наибольший яркостной контраст, наиболее информативна. ГК 2 - отражает вариации яркостей, не учтенных в ГК 1. ГК 3… - отражают тонкие детали изображения, затененные в исходном изображении высоким контрастом. ГК 1, ГК 2, ГК 3 - часто используются для синтезирования.
Классификация цифровых изображений Основные математические критерии ü корреляция зональных спектральных признаков; ü спектральные расстояния; ü спектральные углы между векторами спектральных признаков; ü пороговые процедуры.
Корреляция зональных спектральных признаков В 2 Равномерные однонаправленное и разнонаправленное изменение зональных яркостей В 1 В 2 Неравномерные однонаправленное и разнонаправленное изменение зональных яркостей В 1
Спектральные расстояния В 2 Отсутствие корреляции между зональными яркостями В 1 Классы с малой и большой дисперсией яркостей В 2 Ковариация В 1 номер зоны 1 Матрица ковариации 2 3 4 1 2 3 4
Спектральные расстояния Евклидово расстояние зональное среднее значение яркости класса зональная яркость пиксела число зон Расстояние Махаланобиса
Спектральные углы между векторами спектральных признаков В 2 Ā α С В 1 α – спектральный угол D В 1
Классификация изображений Контролируемая классификация выделение реальных классов объектов Неконтролируемая классификация (луга, пашни и т. п. ) выделение спектральных общностей априорная информация о классах без априорной информации о классах обучающие выборки
Создание и контроль обучающих выборок классов 1. 2. 3. 4. Репрезентативность Одномодальность гистограммы Однородность (малая дисперсия) Различимость выборок выделяемых классов Обучающие выборки непараметрические выделение (рисование) зон классов в спектральном пространстве признаков статистические параметры классов Bm, σ, k… B 1 B 2
Оценка качества выборок
Основные алгоритмы контролируемой классификации детерминированный подход способ параллелепипеда способ минимальных расстояний статистический подход способ максимального правдоподобия В 2 В 1
Способ максимального правдоподобия Появление объекта i-того класса - случайное событие - ωi Вектор признаков X (X 1 ……… XL) - случайное событие Априорная вероятность появления объекта i -того класса Условная плотность распределения вероятности вектора признака Х, если объект относится к классу ωi P (ωi) - P (X/ωi) – анализ изображения (доля площади i-того класса) – другие источники (карты, полевые исследования) – принимается равной для всех классов P (X/ωi) – анализ яркостей эталонного объекта
Алгоритм неконтролируемой классификации - зональные яркости Исходные данные: - порог, мера сходства спектральных признаков 1 2 3 4
ISODATA (Iterative Self-Organizing data analysis) Исходные данные - зональные яркости - число кластеров ü из анализа гистограммы ü произвольно ü из предыдущей процедуры
Скачать презентацию Аэрокосмические методы Структурная схема дистанционных методов Объект
Аэрокосмические методы.ppt