Επισκόπηση των Τεχνικών Επεξεργασίας και Ανάλυσης Εικόνων με Εφαρμογή στη Γεωπληροφορική

Από RemoteSensing Wiki

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Η τηλεπισκόπηση ή τηλεανίχνευση είναι η επιστήμη παρατήρησης φαινομένων και χαρακτηριστικών από απόσταση, με μεγάλο εύρος εφαρμογών, εκτός των άλλων και στη Γεωπληροφορική. Τα επιτεύγματα της τηλεπισκόπησης χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές της Γεωπληροφορικής όπως το Κτηματολόγιο, το σχεδιασμό χρήσεων γης και τη δημιουργία ψηφιακών μοντέλων γης. Η παρατήρηση της επιφάνειας της γης είναι δυνατή με τη χρήση τηλεπισκοπικών ανιχνευτών που ανιχνεύουν την αντανάκλαση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της γήινης επιφάνειας και την αναπαριστούν ως ψηφιακή εικόνα. Εάν χρησιμοποιείται το ορατό τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας για την αναπαράσταση, προκύπτει μια έγχρωμη εικόνα, ισοδύναμη με αυτές που καταγράφουν οι ψηφιακές μηχανές φωτογράφησης που χρησιμοποιούμε καθημερινά. Στην πράξη, οι ανιχνευτές «βλέπουν» πολύ πέρα από το ορατό φάσμα με αποτέλεσμα να λαμβάνουμε μια ποικιλία εικόνων. Έτσι, το αποτέλεσμα ποικίλει ανάλογα με τη φασματική ζώνη στην οποία λειτουργεί ο αισθητήρας του ανιχνευτή. Η σωστή αξιοποίηση των τηλεπισκοπικών δεδομένων προυποθέτει την προεπεξεργασία τους ώστε να απαλειφθούν μια σειρά από σφάλματα, αλλοιώσεις και μεταβολές που εάν παραμείνουν θα υποβαθμίσουν την ποιότητα της τελικής πληροφορίας και θα οδηγήσουν σε εσφαλμένα ή αλλοιωμένα συμπεράσματα.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Οι διορθώσεις στην εικόνα που λαμβάνεται από τον ανιχνευτή μπορεί να είναι:

• Γεωμετρικές διορθώσεις που έχουν να κάνουν με την αναγωγή της καμπύλης γεωμετρίας της εικόνας σε επίπεδη γεωμετρία απαλείφοντας τα σφάλματα που προέρχονται από την επιφάνεια του γήινου ελλειψοειδούς αλλά και της κίνησης της γης καθώς και του τεχνητού δορυφόρου πάνω στον οποίο βρίσκεται ο ανιχνευτής. Επίσης, γεωμετρικές διορθώσεις επιβάλλονται ώστε να διορθωθούν σφάλματα που οφείλονται στο έντονο ανάγλυφο μιας περιοχής, διαδικασία που είναι γνωστή ως ορθοδιόρθωση ή ορθοαναγωγή. Τέλος η εικόνα θα πρέπει να αναχθεί σε ένα σύστημα γεωγραφικών ή προβολικών συντεταγμένων ώστε να μπορεί να συνδυασθεί με άλλα γεωγραφικά δεδομένα.

• Ραδιομετρικές διορθώσεις, που αναφέρονται στην απαλοιφή σφαλμάτων τα οποία προέρχονται από τα τεχνικά στοιχεία της διαδικασίας καταγραφής και μετάδοσης.

• Ατμοσφαιρικές διορθώσεις, που αφορούν στην απαλοιφή σφαλμάτων τα οποία προέρχονται από την επίδραση των συστατικών της ατμόσφαιρας. Καθώς η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που αντανακλάστηκε από την γήινη επιφάνεια επιστρέφει στο διάστημα, διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα, τα συστατικά της οποίας (νερό σε αέρια φάση και αερολύματα) αλλοιώνουν την ποσότητα της εισερχόμενης στον αισθητήρα ακτινοβολίας. Οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις διακρίνονται σε μεθόδους.

Μετά το στάδιο της προεπεξεργασίας, λαμβάνει χώρα η ανάλυση των επεξεργασμένων εικόνων της τηλεπισκόπησης. Η ανάλυση των τηλεπισκοπικών δεδομένων μπορεί να διακριθεί σε τρεις γενικές κατηγορίες: ποσοτική, ποιοτική και οπτική ανάλυση ή φωτοερμηνεία.

Τα ψηφιακά δεδομένα τα οποία λαμβάνονται από τους αισθητήρες των δορυφόρων υφίστανται προεπεξεργασία ώστε να αναχθούν γεωμετρικά σε ένα χάρτη αναφοράς (base map), βάσει συγκεκριμένου συντελεστή κλίμακας και πίνακα προβολής (projection map). Εναλλακτικά, η γεωμετρική προεπεξεργασία μπορεί να αναφέρεται στην αντιπαραβολή ή ταυτοποίηση (registration) της ληφθήσας εικόνας σε σχέση με μια δοσμένη σειρά εικόνων που έχουν ληφθεί προγενέστερα, με σκοπό για παράδειγμα, την παρακολούθηση αλλαγών που έχουν συντελεστεί στο μεσοδιάστημα. Γενικά, η ταυτοποίηση είναι μια αυτόματη διαδικασία κατά την οποία η θέση του δορυφόρου σε σχέση με τη γη κατά τη στιγμή λήψης της εικόνας προσδιορίζεται με βάση:

• το λεγόμενο μοντέλο ephemeris των παραμέτρων τροχιάς του δορυφόρου,

• τις προδιαγραφές λήψης του αισθητήρα και

• ενός σήματος χρόνου που στέλνονται στην επίγεια βάση.

Για την ποιοτική ανάλυση ψηφιακών εικόνων τηλεπισκόπησης, χρησιμοποιούνται κυρίως τεχνικές κατάταξης (classification) και τμηματοποίησης (segmentation) από τον τομέα της αναγνώρισης προτύπων (pattern recognition), της επιστήμης υπολογιστών. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει η κατάταξη ή ταξινόμηση ψηφιακών δεδομένων εικόνων, ενώ στη δεύτερη η τμηματοποίηση εικόνων και νideo.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η χωρική ανάλυση των τηλεπισκοπικών εικόνων, καθορίζει σε σημαντικό βαθμό το επίπεδο λεπτομέρειας που μπορεί να επιτευχθεί από τους αλγορίθμους κατάταξης. Τέλος, ένας ακόμη σημαντικός παράγοντας επιτυχούς κατάταξης είναι η σωστή επιλογή ενός αριθμού από τις διαθέσιμες ζώνες των φασματικών δεδομένων, έχοντας ως κριτήριο τη σχετικότητά τους με τη μελετούμενη περίπτωση. Κύριο χαρακτηριστικό των αλγορίθμων τμηματοποίησης είναι ότι συνδυάζουν τη φασματική με τη χωρική πληροφορία. Στις εικόνες τηλεπισκόπισης, το αποτέλεσμα της τμηματοποίησης είναι διακριτές περιοχές που χαρακτηρίζονται από ομοιογένεια ως προς το φάσμα και το σχήμα τους και αποτελούν τμήματα ή τεμάχια του απεικονιζόμενου τοπίου. Σε πολλές περιπτώσεις, η εξαγωγή αντικειμένων οδηγεί σε μεγαλύτερο αριθμό χαρακτηριστικών που περιγράφουν καλύτερα την υπό μελέτη διεργασία και οδηγούν σε καλύτερα αποτελέσματα κατάταξης των τμημάτων σε κλάσεις. Η απώλεια χωρικής ανάλυσης που μπορεί να εμφανισθεί κατά την ταυτοποίηση ή την αναγωγή των εικόνων, δεν αποτελεί πάντα πρόβλημα στις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης. Αντίθετα, σε μερικές περιπτώσεις αρκεί μια «χονδρική» χωρική περιγραφή των δεδομένων, σε ανάλυση πολύ μικρότερη από αυτή του pixel. Τέλος, σε μερικές περιπτώσεις, η τελική ταυτοποίηση επιτυγχάνεται με την επικάλυψη της επεξεργασμένης εικόνας με κάθε έναν από τους χάρτες αναφοράς.

Συγγραφείς: Γκρίνιας Η., Επιστημονικός Συνεργάτης και Κοτζίνος Δ., Επίκουρος Καθηγητής, Τμήμα Γεωπληροφορικής & Τοπογραφίας, ΤΕΙ Σερρών

Χωρογραφίες Τόμος 1/Αρ 1/2010