МОДУЛЬ 4 ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО- И

МОДУЛЬ 4 ДЕШИФРИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СЪЕМОК ЛЕКЦИЯ 15 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СЕМАНТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА АЭРО- И КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ Авторы: Лозовая Светлана Юрьевна, д. т. н. , профессор кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Лозовой Николай Михайлович, ст. преподаватель кафедры городского кадастра и инженерных изысканий Хомин Вероника Степановна ст. гр. ГК-41

ДЕШИФРИРОВАНИЕ — ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ СО СНИМКОВ Дешифрирование входит составной частью в технологический процесс топографического и ландшафтного картографирования, а также является важнейшим технологическим компонентом дистанционного зондирования. Между съемкой и дешифрированием иногда возникает существенный временной разрыв, в течение которого могут произойти некоторые изменения ситуации, в обязанности дешифровщика войдет полевая инструментальная корректировка — досъемка вновь появившихся элементов или исключение из дешифрирования элементов утраченных. Очевидно, что досъемке подлежат также объекты, не отразившиеся по тем или иным причинам на снимках, например объекты с недостаточным яркостным контрастом относительно фона.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕШИФРИРОВАНИЯ Дешифрирование классифицируют по содержанию и технологии выполнения. В зависимости от содержания дешифрирование делят на следующие виды: топографическое (при мелкомасштабном картографировании — ландшафтное) и специальное (тематическое, отраслевое). При топографическом дешифрировании выявляют, анализируют и показывают условными знаками элементы ландшафта, подлежащие нанесению на топографические карты (при ландшафтном — на географические карты). Набор объектов при специальном дешифрировании носит избирательный характер.

Так, при земельно-кадастровом дешифрировании основными объектами анализа являются сельскохозяйственные угодья и границы землепользовании и землевладений; при геоботаническом — естественные кормовые угодья или посевы культурных растений; при экологическом — зоны природных или антропогенных нарушений нормального состояния окружающей человека среды и т. д. Одновременно с целевыми объектами специального дешифрирования на дешифрируемых материалах показывают в большинстве случаев и топографические элементы в упрощенном виде. Они облегчают привязку специальной информации при нанесении ее на имеющиеся карты, или их используют для составления специальных карт, если подходящая топографическая основа отсутствует.

По технологии выполнения можно выделить следующие основные методы дешифрирования: визуальный, в котором информацию считывает со снимков и анализирует человек; в зависимости от места выполнения выделяют камеральный, полевой и комбинированный способы, которые можно поделить на варианты; машинно-визуальный, в котором с помощью компьютера или специализированных устройств выполняют предварительную обработку первичных снимков с целью облегчения их визуального дешифрирования. Способами данного метода могут быть: синтезирование изображений, квантование уровней видеосигналов, фильтрация изображения и др. ;

автоматизированный, в котором интерпретационная обработка снимков выполняется машиной в диалоговом режиме — оператор выбирает способ обработки, выполняет «обучение» системы, контролирует качество работы классификатора, вносит коррективы в программы и др. ; в данном методе можно выделить два наиболее употребляемых способа — классификации, в котором анализируемые элементы изображения сразу же относятся к определенному эталонированному классу объектов, и кластеризации, в котором элементы изображения предварительно разбиваются на группы (кластеры) по сходству некоторых признаков с последующей идентификацией этих групп; автоматический, в котором интерпретационная система решает отлаженные задачи без вмешательства оператора.

Принципиальная схема дешифровочного процесса в любом методе остается неизменной — распознавание выполняют путем сопоставления и определения степени близости некоторого набора признаков Технологическая классификация дешифрирования

ВИЗУАЛЬНЫЙ МЕТОД ДЕШИФРИРОВАНИЯ. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА И СПОСОБЫ ВЫПОЛНЕНИЯ Визуальное дешифрирование представляет собой сложный многоэтапный процесс логического анализа изображений. Распознавание объектов и определение их характеристик часто сливаются в единый процесс с многократным чередованием анализа ситуаций в целом, а также их отдельных элементов и фрагментов. Человек превосходит машину в решении логических задач. Он может на основе ограниченной информации, используя логический аппарат, преобразовывать дешифровочные признаки применительно к конкретным временным и пространственным условиям, учитывать изменение признаков в зависимости от положения анализируемого участка в кадре и изменения условий освещения дешифрируемых объектов.

В дешифрировании отдельных объектов обычно выделяют три ступени: обнаружения, опознавания и определения характеристик. Рассмотрим отдельно возможности человека в выделении элементов изображения на некотором фоне, определении их формы, а также в разделении элементов по уровню оптической плотности.

Обнаружительная способность зрительного аппарата человека (выделение элемента изображения без определения его сути) зависит от остроты зрения, контраста и резкости изображения наблюдаемых элементов, освещенности изображения, продолжительности наблюдения. Минимальный поперечник компактного и ширина протяженного объектов с полосой размытости на краях / при разности оптических плотностей объекта и фона 5 могут быть определены соответственно по формулам: Форма компактного объекта может быть опознана, если его поперечник не менее чем в 2, 5 раза превышает порог обнаружения.

Значение К в некотором диапазоне яркостей постоянно. При крайних значениях яркости постоянство не сохраняется. Для нормальных условий наблюдения изображений и четких границах участков с различными оптическими плотностями К = 2 %. Это значит, что в оптическом ступенчатом клине человек может различить до 50 ахроматических ступеней. С уменьшением четкости границ, а также с увеличением расстояния между сопоставляемыми по оптической плотности площадками значение возрастет до 5 % и более. Следовательно, на реальном изображении выделить объект на фоне или разделить объекты по оптической плотности можно, если разность оптических плотностей не меньше 0, 1, что соответствует возможности выделения на изображении 10. . . 20 градаций.

Возможность визуальной дифференциации элементов цветного изображения по цветовому тону, насыщенности и светлоте значительно большая — число различаемых человеком хроматических полей доходит до нескольких тысяч. В визуальном методе дешифрирования можно выделить три основных способа: полевой, камеральный и комбинированный. Полевой способ дешифрирования выполняют, сличая снимок с местностью. Специалист при этом может находиться на земле или на борту летательного аппарата. Полевое дешифрирование характеризуется наивысшей полнотой и достоверностью результатов. Однако ввиду сезонности и трудоемкости выполнения, а также повышенной себестоимости применяют его только в случаях, когда камеральное дешифрирование не обеспечивает нужного качества результатов.

Камеральный способ дешифрирования заключается в логическом анализе изображения с использованием всего комплекса дешифровочных признаков (визуально- логический вариант). В процессе дешифрирования используют вспомогательные материалы (карты, данные о юридических границах землепользований и др. ). Комбинированный способ дешифрирования сочетает в себе процессы следующих способов. В зависимости от последовательности их чередования могут быть выделены варианты. В одном из них предварительно выполняют камеральное дешифрирование, а затем полевую доработку сложных участков с попутным контролем результатов камерального дешифрирования. В другом — сначала выполняют избирательное полевое дешифрирование, а затем камеральное с использованием дешифрированных в поле снимков в качестве эталонов.

МАТЕРИАЛЫ СЪЕМКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВИЗУАЛЬНОМ ДЕШИФРИРОВАНИИ Для дешифрирования используют фотоснимки и другие изображения в исходном масштабе, увеличенные изображения, фотосхемы, стереофотосхемы, фотопланы, ортофотопланы и различные сочетания перечисленных материалов. Контактные фотоснимки являются основным, наиболее дешевым и быстро изготавливаемым материалом. Кадастровые фото- и телевизионные снимки удобны для стереоскопического наблюдения и выполнения простейших стереофотограмметрических определений высот объектов, уклонов эрозионно опасных участков местности и др. Материалы многозональных съемок используют для получения синтезированных изображений.

Увеличенные изображения обладают большей дешифрируемостью и позволяют повысить точность регистрации результатов дешифрирования. Очевидно, что с увеличением снимков будет сокращаться и площадь одновременно анализируемого пространства при стереоскопическом и нестереоскопическом наблюдении их. Фотосхемы позволяют расширить обзорность, сократить объем работ по согласованию результатов дешифрирования на смежных снимках. Стереофотосхемы восполняют недостаток фотосхем. Они позволяют анализировать рельеф на больших территориях. Фотопланы и ортофотопланы свободны от недостатков рассмотренных материалов. Дешифрирование изображений территорий с большим объемом досъемочных работ рационально выполнять именно на этих материалах.

ДЕШИФРОВОЧНЫЕ ПРИЗНАКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВИЗУАЛЬНОМ ДЕШИФРИРОВАНИИ Основная задача дешифрирования — опознавание объектов на изображении и определение их характеристик. Суть решения этой задачи существенно отличается от натурных обследований тех же объектов. Основное отличие заключается в ракурсе наблюдения — при натурном обследовании исполнитель рассматривает объекты «сбоку» , с высоты своего роста; аэро- или космические съемки местности выполняют «сверху» и, в большинстве случаев, при отвесном направлении оптической оси кадровой съемочной системы. Поэтому дешифровщик, анализируя снимки, должен трансформировать сложившиеся представления о геометрии изучаемых объектов.

Для опознавания объектов на снимках используют геометрические и оптические характеристики этих объектов — прямые дешифровочные признаки: форма и размер объектов в плане и по высоте; общий (интегральный) тон черно-белого (ахроматического) или цветного (хроматического) изображений, а также текстура изображения. Форма в большинстве случаев является достаточным признаком для разделения объектов природного и антропогенного происхождения. Объекты, созданные человеком, как правило, отличаются правильностью конфигурации. Так, любые здания и сооружения имеют обычно правильные геометрические формы. То же можно сказать о каналах, шоссейных и железных дорогах, парках и скверах, пахотных и культурных кормовых угодьях и других объектах

На плановых снимках, полученных камерой с узкоугольным объективом, видна форма возвышающихся объектов в плане. 1— пашня: 2— сенокос по редколесью; 3— сенокос с кустарником: 4— сенокос чистый; 5 — усадьбы; 6— парк с аллеей: 7— молодой сад; 8— садозащитная лесополоса

С увеличением угла поля зрения объектива и по мере приближения изображения этих объектов к краю кадра начинает отображаться их форма по высоте. Очевидно, что общие очертания изображения возвышающихся объектов будут изменяться. Размеры дешифрируемых объектов в большинстве случаев, оценивают относительно. Об относительной высоте объектов судят непосредственно по их изображению на краях снимков, полученных с помощью широкоугольных съемочных систем. Тон изображения является функцией яркости объекта в пределах спектральной чувствительности приемника излучений съемочной системы.

В фотометрии аналог тона — оптическая плотность, выражающаяся через десятичный логарифм непрозрачности изображения. Тон оценивают визуально путем отнесения его интенсивности к определенной ступени нестандартизированной ахроматической шкалы, например тон светлый, светло-серый, серый и т. д. Число ступеней определяется порогом световой чувствительности зрительного аппарата человека. Отметим также, что тон изображения объектов одного класса может существенно изменяться в пределах кадра и на перекрывающихся снимках вследствие неортотропности их поверхности, различной спектральной яркости компонентов полихроматических геосистем и других факторов.

Значимость тона изображения в процессе распознавания объектов снижается вследствие ограниченности световой чувствительности зрительного аппарата человека (не более 10, . , 20 различимых уровней тона), что явно недостаточно при огромном многообразии элементов ландшафта и значительном варьировании их свойств. Цвет изображения — более информативный признак, чем тон черно-белого изображения. Хроматическая чувствительность зрительного аппарата человека, примерно на два порядка выше, чем ахроматическая. Использование псевдоцветных изображений (спектрозональных, синтезированных) существенно повышает достоверность решения некоторых дешифровочных задач за счет создания искусственных цветовых контрастов.

Текстура изображения — характер распределения оптической плотности по полю изображения объекта на снимке. Через текстуру передаются структурные особенности объекта (форма, размер и взаимное положение слагающих объект или образующих его поверхность элементов и их яркость). Например, текстура массива леса образуется изображением на снимках крон отдельных деревьев, а при высоком разрешении съемочной системы и укрупнении масштаба съемки — изображением также элементов крон (ветвей или даже листьев); текстура чистой пашни формируется отображением пахотных борозд или отдельных комьев. По мере уменьшения масштаба съемки текстура создается более крупными элементами местности, например отдельными полями пашни.

Природные косвенные признаки выражают взаимосвязи и взаимообусловленности естественных объектов и явлений. Их называют также ландшафтными. Такими признаками могут быть, например, зависимость вида естественного травяного покрова от типа почвы, ее засоленности, кислотности и увлажненности или связь рельефа с геологическим строением местности и их совместная роль в почвообразовательном процессе. В некоторых случаях по косвенным признакам дешифрируют объекты, вообще не изобразившиеся на снимках, например, по изобразившимся растениям ведут разведку залежей грунтовых вод в аридной зоне, полезных ископаемых. Объекты, с помощью которых ведется поиск и определение характеристик не дешифрирующихся напрямую объектов, называют индикаторами, а дешифрирование индикационным.

С помощью антропогенных косвенных признаков опознают объекты, созданные человеком. При этом используют функциональные связи между объектами, их положение в общем комплексе сооружений, зональную специфику организации территорий, коммуникационное обеспечение объектов и др. Например, животноводческая ферма сельскохозяйственного предприятия может быть опознана по совокупности основных и вспомогательных построек, внутренней планировке территории, интенсивно выбитым прогонам, положению дешифрируемого комплекса относительно жилой зоны, характеру обслуживающей дорожной сети. Заметим, что каждое из сооружений комплекса отдельно, вне связи с прочими, не дешифрируется.

К природно-антропогенным косвенным признакам относятся: зависимость хозяйственной деятельности человека от определенных условий, проявление свойств природных объектов в деятельности человека и др. Например, по размещению некоторых видов культур можно составить суждение о свойствах почв, их увлажненности; по изменению влажности поверхности и соответствующему изменению мощности травостоя, по регулярно расположенным линиям дешифрируют элементы закрытой осушительной системы. Дешифровочные признаки обычно используют совокупно, без разделения их на какие-либо группы. Изображение на дешифрируемом участке воспринимается человеком как единое целое — модель местности.

ГЕНЕРАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ Методика генерализации информации при дешифрировании базируется в основном на методике картографической генерализации, так как основной объем дешифровочных работ выполняют в целях создания топографических и специальных планов и карт. Картографическая генерализация представляет собой процесс выявления, отбора и обобщения типичных свойств картографируемых объектов (явлений) и обобщения их границ в соответствии с назначением и масштабом составляемой карты. Типичные свойства подлежащих нанесению па карты объектов выявляют в результате их предварительного изучения.

Нормы контурной генерализации и точности нанесения границ дифференцируются в зависимости от значимости объектов и дешифрируемости границ. Например, требования к точности выделения пашни из массива других угодий должны быть выше, чем точность разграничения однотипных различающихся качественно угодий (пашня чистая и засоренная камнями и т. п. ). Процедура генерализации в дешифровочном процессе несколько отличается от аналогичной процедуры при наземных топографических съемках, так как на снимках при правильном выборе элементов съемочной системы и параметров съемки происходит естественная генерализация границ и яркостных характеристик поверхности объектов. Дешифровщик контролирует соответствие такой генерализации принятым нормам и вносит необходимые коррективы.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ВИЗУАЛЬНОМ ДЕШИФРИРОВАНИИ Необходимость в использовании технических средств при визуальном дешифрировании возникает в целях: оптического увеличения изображения, стереоскопического наблюдения, определения количественных характеристик некоторых объектов. Для оптического увеличения анализируемых изображений используют набор луп. Стереоскопически наблюдать снимки можно, при некоторой тренировке, без специальных приборов. Стереоскоп облегчает наблюдение и, кроме того, позволяет более полно извлечь содержащуюся в снимках информацию за счет увеличения изображения. Стереоскопическое наблюдение снимков упрощает процесс нанесения границ объектов. Поэтому использование стереоскопов рекомендуется при полевом дешифрировании.

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ ВИЗУАЛЬНОГО ДЕШИФРИРОВАНИЯ Во всех видах дешифрирования, выполняемых в инженерных целях (картографирование, инвентаризация угодий и объектов и т. п. ), можно выделить общие технологические процессы — ограничение рабочих площадей дешифрируемых материалов, сводка результатов дешифрирования. Рассмотрим технику выполнения этих процессов. Ограничение рабочих площадей снимков, фотосхем и других дешифрируемых материалов выполняют с целью исключения случаев пропусков или повторного дешифрирования территорий. Границы рабочих площадей на снимках и других материалах при этом должны проходить по идентичным точкам смежных изображений.

Допустимое значение отклонения зависит от контурной ситуации в зоне прохождения границы и вида дешифрирования. Если отклонение окажется недопустимым, можно использовать два основных варианта выхода из создавшегося положения. Первый — границы рабочей площади расширяют на максимальное отклонение. Очевидно, что при этом вдоль границ окажутся дублирующиеся участки и объем дешифровочных работ несколько увеличится. Второй — общие точки разграничиваемых снимков выбирают на главных перегибах земной поверхности вдоль основного направления границы, используя при этом стереоскоп. Границы в этом варианте окажутся ломаными, но избыточное дешифрирование исключается.

Сводку результатов дешифрирования выполняют по границам смежных рабочих площадей дешифрируемых материалов, вдоль рамок трапеций или границ землепользовании предприятий. Цель сводки — согласование результатов классификации объектов, определение их качественных и количественных характеристик по границам смежных рабочих площадей, а также исключение пропусков объектов. Работы по внутренней сводке выполняет исполнитель по завершении дешифрирования очередного снимка (фотосхемы и др. ). Завершив работу по сводке, исполнитель записывает вдоль границы, с каким материалом выполнена сводка, когда и кем.

ДОСЬЕМКА НЕ ИЗОБРАЗИВШИХСЯ НА СНИМКАХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ДЕШИФРИРОВАНИИ Для нанесения на дешифрируемые материалы этих объектов используют простейшие, обеспечивающие достаточную точность, способы. В качестве опорных используют точки изображения, хорошо опознающиеся на местности. При значительном объеме досъемочных работ дешифрируют копии изготовленных фотопланов (ортофотопланов). Изображение на них приведено к единому, обычно стандартному, масштабу. Для досъемки в этом варианте можно использовать любые геодезические способы с одновременным фиксированием на фотоплане полученных результатов. В другом варианте дешифрируют увеличенные до масштаба плана снимки.

Для определения частного масштаба пользуются результатами измерения двух соответственных базисов на снимке и местности. Концами их служат надежно идентифицируемые точки. На снимке они накалываются. Погрешность идентификации и наколки не должна превышать 0, 1 мм. Размер базисов должен быть примерно таким же, что и максимальные по длине линии, используемые при досъемочных работах. Рассмотрим методику определения минимального размера базисов. Допустим, что дешифрирование ведут для последующего выполнения работ, например земельно- инвентаризационных, требующих определения масштаба с точностью не грубее 1/t= 1/100. Очевидно, что точность определения масштаба будет зависеть от точности измерения базисов на снимке — на местности базисы могут быть измерены с любой точностью.

Для выяснения степени влияния наклона снимка на его разномасштабность в зоне следует использовать третий базис с диагональным направлением относительно основных базисов. За окончательное значение знаменателя частного масштаба принимают среднее из двух (трех) определений:

Наиболее удобное средство измерения базисов в натуре — ручные лазерные безотражательные дальномеры ( «лазерные рулетки» ). Дальность измерения с их помощью до 200 м и более. Погрешность измерения 1, 5. . . 3 мм. Масса 300. . . 400 г. Для работы удобно использовать клиновой масштаб. Строят его так. На плотной основе (бумага, пластик) прочерчивают прямую линию длиной 15. . . 20 см. На нее наносят шкалу длин линий на местности. В точке шкалы с максимальной длиной восставляют перпендикуляр, на котором откладывают отрезок, равный этой длине, выраженной в среднем масштабе определенной зоны снимка. Верхний конец отрезка соединяют с нулевой точкой шкалы. Для удобства пользования полученным графиком через остальные деления шкалы проводят линии, параллельные перпендикуляру.

С помощью полученного графика можно переводить измеренные на снимке отрезки в расстояния на местности и наоборот. Например, измеренный на снимке в масштабе 1: 1940 отрезок ab соответствует на местности линии длиной 53 м. На основе той же шкалы можно построить клиновой масштаб и для работы в других зонах.

Данный способ можно использовать в случаях, когда дешифрируют полный снимок, или при дешифрировании увеличенной части снимка с расположенной на ней главной точкой. При работе на прочих частях могут быть использованы приемы нанесения главной точки на подклеенную к части снимка полосу бумаги.

Графический способ с использованием видимых на снимке смещений. Суть способа заключается в том, что смещение изображения некоторых углов крыши (точек g, a и b) относительно соответственных точек основания здания может быть измерено непосредственно на снимке. Среднее значение из измеренных смещений принимают за смещение других близлежащих точек той же крыши и используют для введения поправок в положение этих точек. Поправки вводят по направлениям к главной точке или, если этой точки нет на части снимка, — параллельно видимым смещениям других точек. При этом допускают некоторые погрешности, обусловленные непостоянством отстояния разных углов от главной точки снимка. Пределы изменений r точек с одинаковыми высотами определяют по формуле:

Графический способ использования падающих от здания теней. Тени отвесных объектов (в данном случае от углов зданий), падающие на плоскую поверхность при освещении их солнцем, параллельны между собой. Удовлетворительные результаты данного способа можно получить при достаточной длине теней (не короче 3 мм). Если тени коротки, более точное направление их можно параллельно перенести с другой части снимка, падающие от более высокого здания или другого объекта с отвесными элементами. Графический способ с использованием изображения дешифрируемого здания на перекрывающихся снимках. Изображение одних и тех же объектов получают на двух-трех снимках маршрута. На всех снимках объект изображается по разному — проецируется он с разных точек (центров проекции).

Стереоскопический способ. Здесь используется то же свойство перекрывающихся снимков, что и в предыдущем способе. Но перенос недостающих элементов со вспомогательного снимка на дешифрируемый выполняют путем стереоскопического отождествления. Способ очень производителен, но требует определенного навыка в выполнении. Рассмотренные способы применяют отдельно или в совокупности в зависимости от конкретной ситуации — качества фотоизображения, проработки деталей в тенях, степени озелененности поселения и др. При цифровой фотограмметрической обработке снимков положение основания здания (координаты углов) может быть определено без введения поправок в положение крыш в процессе дешифрирования. При стереоскопической обработке снимков знание высот зданий не требуется.