Lekcja I. Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego.

Transkrypt

1 Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego Lekcja I. Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego. Cel: Pokazanie ograniczeń i niedoskonałości przekształcenia liniowego w zastosowaniu do obrazów AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) i konieczności wykorzystania przekształcenia kwadratowego do uzyskania poprawnej rektyfikacji zdjęcia obejmującego znaczny obszar. Pokazanie wpływu nieprawidłowych terenowych punktów kontrolnych GCP ( ang. Ground Control Point) na proces rektyfikacji. Umiejętności które zdobędziesz : Nauczysz się rektyfikacji kolorowego zdjęcia kompozytowego AVHRR przy wykorzystaniu liniowego i kwadratowego przekształcenia. Porównasz wyniki z referencyjną linią wybrzeża (dostępne bezpłatnie w Internecie.) przy zastosowaniu pliku formuły. Wybierając z górnego paska menu File, Open i pozostawiając ustawienia domyślne, otwórz pliki AVHRR_ID #01.dat, AVHRR_ID #02.dat i AVHRR_ID #04.dat które są pasmami # 1, # 2 i # 4 zdjęcia AVHRR pokrywającego większość Morza Śródziemnego [Użyj domyślnego ustawienia liniowego podniesienia kontrastu oraz zapisz w poniższej tabeli maksymalne wartości pikseli w każdym paśmie obrazu]. Połącz wyżej wymienione trzy obrazy wybierając z górnego menu Image, Connect i pozostawiając w oknie dialogowym ustawienia domyślne. W pasku narzędzi Selector wybierz pasmo #1 jako zdjęcie 1 (będzie ono oznaczone 1 we wzorach, które będą wyświetlane za pomocą czerwonego znacznika), pasmo # 2 jako zdjęcie 2 (@ 2 - zielony znacznik) i pasmo # 4 jako obraz 3 (@ 3 - niebieski znacznik). Następnie wybierz Image, Composite, aby wyświetlić kompozycję barwną złożoną z trzech wyżej wymienionych kanałów spektralnych. Obejrzyj zdjęcie. Pasmo AVHRR_ID # 01.dat AVHRR_ID # 02.dat AVHRR_ID # 04.dat Wpisz maksymalną wartość danych dla obrazu w każdym z pasm poniżej Pytanie 1: Co dziwnego można zauważyć na tym zdjęciu? Morze jest niebieskie, ląd jest zielony i brązowy, a chmury są białe. Zdjęcie zostało zrobione około południa 5 maja 2002 roku, przez satelitę NOAA-16 w trybie rosnącym (tzn. satelita poruszał się z południa na północ, a więc skanowanie obrazu rozpoczęło się w lewym górnym wierzchołku (SE) i ostatni skanowany piksel znajduje się w prawym dolnym wierzchołku obrazu (NW)). Obraz jest zatem odwrócony w stosunku do ogólnie przyjętej konwencji w której spodziewamy się, że 1 z 8

2 Lekcja 1. wierzchołek NW znajduje się w lewym górnym wierzchołku. W celu zmiany orientacji należy zastosować odbicie obrazu zarówno w osi poziomej, jak i pionowej. Z menu na górze wybierz View, Reflect In Both, aby właściwie zorientować zdjęcie (czyli tak, aby lewy górny róg zdjęcia będący aktualnie SE stał się rogiem NW). Przekształcenie to ukaże bardziej znajomy obraz Morza Śródziemnego i zachodniej części Morza Czarnego. Teraz zamknij obrazy składowe (AVHRR_ID #01.dat, AVHRR_ID #02.dat i AVHRR_ID #04.dat) oraz trzy połączone sąsiadująco zdjęcia. Otwartą pozostaw tylko prawidłowo zorientowaną kompozycję barwną. Otrzymane zdjęcie wygląda podobnie do rzeczywistej mapy tego obszaru, ale jest dość mocno zniekształcone zarówno z powodu krzywizny Ziemi, jak i ruchu satelity z południa na północ w stosunku do powierzchni Ziemi. Aby poprawić zdjęcie AVHRR, tak aby zgadzało się z mapą, zostanie wykorzystana seria terenowych punktów kontrolnych (GCP), czyli pikseli o znanej długości i szerokości geograficznej. W celu dokonania oceny dopasowania zdjęcia do mapy, ze strony został pobrany skorygowany geometrycznie obraz MapGen 1: (United States Geological Survey USGS). Obraz ten pokazuje linię wybrzeża i granice Stanów Zjednoczonych na wybranym obszarze. Można spróbowa ć zrobi ć to samodzielnie korzystają c z podanego linku. Wybierając z górnego paska menu File, Open, i pozostawiając ustawienia domyślne otwórz plik Mediterranean_coastline.gif. Jest to 8-bitowa bitmapa (256 poziomów szarości), która przedstawia linię brzegową i granice Stanów Zjednoczonych w kolorze czarnym (wartość piksela = 0), zaś wszystko pozostałe w kolorze białym (wartość piksela = 255). Możesz to sprawdzić za pomocą kursora i paska stanu. W tym celu wybierz narzędzie o nazwie Point, a następnie trzymając lewy przycisk myszy przesuwaj kursorem po zdjęciu. Zauważ że obraz jest już geokodowany. Na takim obrazie szerokość i długość geograficzna każdego piksela wyświetlana jest na pasku stanu. Porównanie naszej kompozycji barwnej z mapą wybrzeża pokaże w jakim stopniu zniekształcony jest obraz AVHRR. Do korekcji geometrycznej obrazu AVHRR należy wykorzystać geokodowaną mapę wybrzeża. W tym celu należy dopasować serię pikseli (GCP) o znanych współrzędnych kolumn i wierszy na zdjęciu AVHRR do serii pikseli na linii wybrzeża o znanej szerokości i długości geograficznej. Następnie należy wykonać takie przekształcenie zdjęcia AVHRR, aby znaleźć najlepsze, całkowite jego dopasowanie do punktów kontrolnych. Dane dotyczące punktów GCP są przechowywane w tabeli rektyfikacyjnej. W celu zaoszczędzenia czasu 50 punktów kontrolnych zostało uprzednio wprowadzonych do tabeli. Otwórz plik Mediterranean.tbl wybierając z górnego paska menu File, Open oraz ustawiając jako typ pliku TABLES. Zauważ, że pierwsza kolumna zawiera opisy terenowych punktów kontrolnych, zaś druga długości i szerokości geograficzne 2 z 8

3 Pytanie 2: Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego współrzędnych punktów wzdłuż wybrzeża na zdjęciu Master (Mediterranean_coastline.gif). Trzecia kolumna zawiera natomiast współrzędne kolumn i wierszy tych samych punktów na obrazie Slave (zdjęcie AVHRR) w pikselach. Pierwszym krokiem jest powiązanie tabeli z tym zdjęciem. Aby to zrobić kliknij prawym przyciskiem myszy na tabelę i wybierz opcję Change View. Z listy wybierz obraz Mediterranean_coastline.gif jako obraz Master, jako Słave wybierz swoją kompozycję barwną, następnie kliknij OK. Obejrzyj obydwa zdjęcia. Powinny bć na nich widoczne punkty kontrolne i ich numery z tabeli. Jeśli najedziesz kursorem nad centrum krzyża oznaczającego położenie punktu kontrolnego to wyświetli się opis tekstowy tego punktu. Sprawdź lokalizację kilku punktów. Używając tylko kompozycji barwnej naszego zdjęcia i swojej wiedzy z geografii (lub atlasu jeżeli wiedza ta jest pobieżna), należy sprawdzić jakie są numery punktów kontrolnych : (i) w Wenecji, (ii) na Malcie, (iii) na Krecie, (iv) w Stambule oraz (v) przy ujściu Dunaju. W tabeli brakuje pięciu punktów kontrolnych i muszą one zostać wprowadzone, zanim będzie można prawidłowo skorygować kolorowe zdjęcie AVHRR. Brakujące punkty są wymienione w poniższej tabeli 1. Aby zrobić to najprościej wpisz liczbę stopni i kliknij spację, a następnie liczbę minut, po której znowu należy kliknąć spację, teraz wpisz liczbę sekund, następnie kropkę jako separator dziesiętny i wprowadź liczbę sekund w ułamku dziesiętnym. Szerokość i długość geograficzną rozdzielamy przecinkiem. Aby wpisać współrzędne na północ od równika i na wschód od Greenwich (0 długości geograficznej) wystarczy wpisać tylko liczby. Wpisując współrzędne na południe od równika i na zachód od Greenwich trzeba dodać jeszcze odpowiedni przyrostek - S lub W. Tak więc na Capo Greco, wystarczy tylko wpisać " , "(bez cudzysłowów). Bilko zrobi resztę. [Można, równie dobrze, wpisać [34 o 5'35.5 "34 o 57'26.67"]. Przycisk <Tab> służy do przechodzenia między polami w tabeli. Przed wprowadzeniem pięciu punktów kontrolnych kliknij prawym przyciskiem myszy na tabele z punktami i wybierz opcję Transform aby upewnić się, że jest ona ustawiona na Linear. Wprowadź opis punktu kontrolnego # 050 z tabeli 1, a następnie naciśnij klawisz <Tab> i wprowadź długość i szerokość geograficzną w sposób opisany powyżej. Po przejściu do kolumny Slave powinieneś zobaczyć, że punkt kontrolny w prawym dolnym wierzchołku zdjęcia (ponad Cyprem) jest wyświetlony w kolorze jasnoniebieskim. Można również zauważyć, że Bilko sugeruje (na podstawie innych punktów kontrolnych i zastosowania transformacji liniowej) aby punkt znajdował się w kolumnie i wierszu o współrzędnych 640, 541. Jest to wartość zbliżona do właściwej, jednak nieprawidłowa. Należy wprowadzić prawidłową pozycję (660, 538). Kiedy przejdziesz do ostatniej kolumny punkt GCP zmieni kolor na żółty i automatycznie zostanie obliczony błąd RMS (powinien on wynosić 18,27 pikseli). Wprowadź teraz pozostałe punkty kontrolne do tabeli. Możesz spróbować poeksperymentować z alternatywną metodą wprowadzania punktów kontrolnych, która składa się z następujących kroków: (i) wprowadź opis do tabeli, (ii) kliknij na zdjęciu Master, następnie wykorzystaj opcję Edit, Go To, z Selection Type 3 z 8

4 Lekcja 1. GCP# wybierz opcję Point Selection. Wpisując współrzędne umieścić kursor na właściwej długości i szerokości geograficznej wymienionej w tabeli 1 (wpisz pozycje X i Y w podobny sposób do tego stosowanego w dokumencie tabeli i kliknij Ok). Bilko przeniesie cię do najbliższego piksela odpowiadającego na obrazie), (iii) Kliknij na zdjęcie Slave (kolorowe zdjęcie kompozytowe), używając Edit, Go To z Selection Type wybierz Point Selection, i wpisz współrzędne kolumn i wierszy wymienione w tabeli 1 oraz kliknij Ok.. Teraz (iv) naciśnij klawisz <Insert>, aby wstawić dopasowane pary współrzędnych do tabeli. Tabela 1. Brakujące punkty kontrolne z Mediterranean.tbl. Opis punktu kontrolnego (GCP) Długość i Szerokość geograficzna (MASTER) Współrzędne Kolumny (X) i Wiersza (Y) (SLAVE) 50 Capo Greco Cypr 34 o 5'35.50 E, 34 o 57'26.67 N 660, Ancona Włochy 13 o 35'53.88 E, 43 o 34'17.37 N 279, Ras el Tib Tunezja 11 o 3'34.66 E, 37 o 4'34.35 N 170, Porto Santo Stefano Włochy 11 o 4'53.11 E, 42 o 26'13.15 N 221, Cape north of Kandira Turcja 30 o 15'24.56 E, 41 o 13'22.34 N 597, 320 Gdy wszystkie punkty kontrolne zostaną wprowadzone, wszystko jest gotowe do korekcji geometrycznej kompozycji barwnej zdjęcia AVHRR. Jeśli chcesz zobaczyć, gdzie znajduje się każdy z pięciu wpisanych punktów, możesz odznaczyć ich pola wyboru, wtedy na zdjęciach będą one wyświetlane w kolorze jasnoniebieskim. Taka operacja spowoduje jednak wyłączenie ich z procesu transformacji. Zatem po znalezieniu ich upewnij się, że pole wyboru jest zaznaczone. Przed rozpoczęciem procesu rektyfikacji zanotuj odpowiedzi na następujące dwa pytania. Pytanie 3: Pytanie 4: Jaki jest błąd średniokwadratowy (RMS) przekształcenia liniowego? Który z punktów kontrolnych wnosi największy błąd i jaka jest wartość tego błędu? Z tabelą wybraną jako aktywny dokument, wybierz z menu górnego Edit Copy, a następnie kliknij prawym przyciskiem myszy na kompozycję barwna, którą chcesz rektyfikować i wybierz z rozwijanego menu Paste. Jeśli wybierzesz teraz View, Coords to możesz zauważyć, że długość i szerokość geograficzna dla pikseli na zdjęciu jest teraz wyświetlana na pasku stanu. Są to współrzędne obliczone przez Bilko przy zastosowaniu transformacji liniowej. Końcowym etapem procesu korekcji geometrycznej jest przepróbkowanie kompozycji barwnej zdjęcia AVHHR i jej transformacja do nowego układu współrzędnych (długość i szerokość geograficzna). 4 z 8

5 Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego Z wybranym zdjęciem barwnym jako aktywnym, wybierz z menu na górze ekranu Image, Resample. Chcemy żeby okno w jakim będzie wyświetlał się obraz po korekcji było wzorowane na zdjęciu które uprzednio ustawiliśmy jako Master. Zatem w zakładce Interpolation z listy wyboru Based on: wybierz Master. Mamy do wyboru trzy metody interpolacji: najbliższego sąsiedztwa, (nearest neighboor) interpolacji bilinearnej (bilinear transformation), metoda splotu sześciennego (Cubic Convultion). Wybierz Cubic convolution i kliknij przycisk Aplly. Sprawdź zakładki Window, Pixel i Image i zauważ, że są ustawione na wartości wynikające ze zdjęcia Master Mediterranean_coastline.gif. [Można zmienić okna (granice przepróbkowanego zdjęcia) lub rozmiar piksela. Nie rób tego w tym ćwiczeniu!]. Na koniec kliknij przycisk OK. Utworzona została rektyfikowana wersja kompozycji barwnej (jak również jej trzy zdjęcia składowe, które są rektyfikowane w tym samym czasie). Obejrzyj zdjęcie i zauważ co się na nim zmieniło. Najważniejsze pytanie brzmi; jaka jest skuteczność liniowego przekształcenia w procesie rektyfikacji zdjęcia AVHRR? Najlepszym sposobem na sprawdzenie tego jest dodanie linii brzegowej z naszego obrazu Master, w postaci białej linii do kompozycji barwnej. Następnie można bezpośrednio porównać linię brzegową z rektyfikowanego zdjęcia z rzeczywistą linią wybrzeża. Wykonać to można przy wykorzystaniu pliku formuły. Aby nałożyć linię wybrzeża z obrazu Master jako białą linię na naszą rektyfikowaną kompozycję barwną trzeba ustalić wartość pikseli należących do tej linii tak, aby były one jaśniejsze niż piksele występujące w którymkolwiek ze składowych pasm. Podczas otwierania poszczególnych pasm zdjęcia AVHRR można było zauważyć, że maksymalne wartości pikseli wynoszą odpowiednio 870, 902 i 940. Jeśli piksele odpowiadające linii wybrzeża z obrazu Master będą ustawione na 950 to powinniśmy uzyskać białą linię. Pytanie 5: Połącz teraz przepróbkowane zdjęcie kompozytowe z obrazem linii wybrzeża (Mediterranean_coastline.gif ). Użyj paska narzędzi Selector pasek do oznaczenia obrazu kompozycji barwnej jako 1 i obrazu linii brzegowej w zdjęciu master 2. Otwórz plik formuły Draw_coastline.frm i przeanalizuj sposób jej działania. Następnie skopiuj formułę wybierając z górnego paska narzędzi Edit, Copy i wklej ją do połączonych sąsiadująco zdjęć, klikając w nie prawym przyciskiem myszy i wybierając z menu Paste. Usuń trzy składowe obrazy pojedynczych pasm utworzone podczas przebróbkowywania i obejrzyj przepróbkowane zdjęcie z nałożoną geokodowaną linią brzegową. Czy transformacja liniowa jest odpowiednia do rektyfikacji zdjęcia AVHRR? Teraz twoim zadaniem będzie powtórzenie procesu rektyfikacji i przepróbkowanie zdjęcia przy użyciu przekształcenia kwadratowego, w celu sprawdzenia czy jest ono lepsze w tym zastosowaniu niż liniowe. Jednak najpierw należy zamknąć niektóre pośrednie zdjęcia, aby wyczyścić obszar roboczy. 5 z 8

6 Lekcja 1. Zminimalizuj kolorowe zdjęcie kompozytowe z nałożoną linią brzegową. Zamknij połączone zdjęcia oraz przepróbowaną kompozycję barwną bez linii brzegowej. Powinieneś mieć otwarte zdjęcia Master, Slave, plik formuły oraz tabelę rektyfikacji. Kliknij na tabelę rektyfikacji, aby jej okno było aktywne. Wybierz z menu Options, Transform, Quadratic i zauważ jak bardzo zmniejszyły się błędy RMS. Pytanie 6: Jaka jest wartość błędu średniokwadratowego (RMS) transformacji kwadratowej? Pytanie 7: Który punkt kontrolny wnosi największy błąd i jaka jest wartość tego błędu? Punkt kontrolny GCP # 3 odstaje bardzo znacząco (tj. jego błąd RMS jest znacznie większy niż w jakiegokolwiek innego GCP), co może sugerować, że szerokość albo długość geograficzna tego GCP jest błędna, lub że jest połączony ze złym pikselem na zdjęciu Slave. Tak, czy inaczej (ponieważ nie jesteśmy w stanie tego jednoznacznie stwierdzić ani poprawić) wydaje się rozsądne, aby pominąć go przy wykonywaniu rektyfikacji. Usuń zaznaczenie pola wyboru GCP#003. Zauważ że po odznaczeniu, wartość błędu RMS spadła o prawie połowę - z ponad 3 do około 1,6 pikseli. Z tabelą wybraną jako aktywny dokument, z menu na górze ekranu wybierz Edit, Copy, a następnie kliknij prawym przyciskiem myszy na kompozycję barwną i wybierz Paste. Następnie wybierz naszą kompozycję jako aktywny dokument i kliknij Image, Resample. Tak jak poprzednio proces ma być oparty na zdjęciu Master i należy zaznaczyć Cubic convolution jako metodę interpolacji. Kiedy już to zrobisz, kliknij przycisk Apply, a następnie OK. Zostanie utworzona nowa wersja rektyfikowanej i przepróbkowanej kompozycji barwnej (jak również jej trzy zdjęcia składowe, które można od razu zamknąć). Połącz nowe przepróbkowane zdjęcie oraz geokodowany obraz linii brzegowej, tak jak robiłeś to wcześniej. Skorzystaj z paska narzędziowego Selektor, aby wskazać przepróbkowane zdjęcie (przekształcenie kwadratowe) jako zdjęcie 1 (@ 1) i zdjęcie wybrzeża Master jako zdjęcia 2 (@ 2). Kliknij na dokument formuły Draw_coastline.frm, aby stał się on oknem aktywnym, a następnie skopiuj i wklej wyrażenie do połączonego zdjęcia. Usuń nowo wygenerowane trzy obrazy składowe. Następnie obejrzyj nowe przepróbkowane zdjęcie z linią brzegową i zobacz o ile lepiej pasuje tu georeferencyjna linia wybrzeża. Porównaj to zdjęcie do analogicznego zdjęcia próby dopasowania przy użyciu transformacji liniowej oraz do oryginalnego AVHRR. Zauważ, że teraz obraz nie jest obcięty w żadnym wierzchołku co miało miejsce w przypadku liniowej transformacji zdjęcia (wierzchołek prawego dolnego rogu). Linie brzegowe obrazu Master wyraźnie lepiej dopasowują się do linii brzegowych na zdjęciu 6 z 8

7 Korekcja geometryczna obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego przepróbkowanym przy użyciu transformacji kwadratowej, co wyraźnie pokazuje, że dużo lepiej sprawdza się ona w takich przypadkach niż liniowa. Dzieje się tak dlatego, że transformacja liniowa może być stosowana do takich zmian w obrazie jak: przesunięcia, skalowanie i obrót. Nie jest ono natomiast odpowiednie w przypadku dużych obszarów, gdzie mamy do czynienia z zadaniem zamiany współrzędnych sferycznych na kartograficzne. W takim przypadku stosuje się właśnie transformacje wielomianowe drugiego rzędu. Przykład ten pokazuje, że przekształcenie kwadratowe jest niezbędne do rektyfikacji. Możesz również sprawdzić, jakość transformacji sześciennej poprzez obserwację redukcji błędów RMS. Kliknij na tablicę, aby stała się ona oknem aktywnym i wybierz z menu Options, Transform Cubic. Zauważ, że średni błąd RMS zmniejszył się tylko nieznacznie do ok. 1,4 (z pominiętym GCP#3). To sugeruje, że przekształcenie sześcienne nie jest konieczne. Jeśli jesteś usatysfakcjonowany możesz zamknąć wszystkie okna. Jeśli chcesz, możesz sprawdzić efekt pozostawienia GCP#03 na proces rektyfikacji przy transformacji kwadratowej. Wynik wyraźnie pokazuje, że istnieje jakiś rodzaj błędu pozycyjnego skojarzonego z tym punktem kontrolnym i dobrą decyzją było jego pominięcie. Pamiętaj, że możesz korygować geometrycznie cały stos połączonych zdjęć (np. wszystkie 5 pasm zdjęcia AVHRR) za jednym razem, w analogiczny sposób jak przed chwilą. 7 z 8

8 Lekcja 1. Odpowiedzi na pytania Mini-Lekcja 1: geometryczna korekcja obrazu AVHRR obszaru Morza Śródziemnego Pytanie 1 Obraz wydaje się być do góry nogami, czyli na południe na górze obrazu. Pytanie 2 (i) GCP w Wenecji jest # 27, (ii) na wyspie Malta # 35, (iii) na wyspie Kreta # 21, (iv) GCP w Stambule jest # 6, oraz (v) GCP przy ujściu Dunaju # 13. Pytanie 3 Błąd średni kwadratowy (RMS) dla transformacji liniowej wynosi 15,766 pikseli. Pytanie 4 GCP z największym błędem RMS to GCP # 003: Trypolis - Liban, ma błąd RMS wynoszący pikseli. Pytanie 5 Nie. Krzywizna Ziemi oznacza, że przekształcenie liniowe nie może skutecznie zrektyfikować zdjęcia AVHRR. Stąd bardzo słabe dopasowanie zdjęcia Master wybrzeża do kolorowej kompozycji wybrzeża. Wyższy stopień transformacji (kwadratowy lub sześcienny) jest konieczny. Pytanie 6 Średni błąd kwadratowy(rms) dla transformacji kwadratowej wynosi pikseli. Pytanie 7 GCP z największych błędem RMS to GCP # 003: Trypolis - Liban, ma błąd RMS wynoszący pikseli. AJ Edwars, 2003r 8 z 8