Wprowadzenie do teledetekcji i fotogrametrii I

Katedra Geoinformacji Fotogrametrii i Teledetekcji Środowiska Wydział Geodezji Górniczej i InŜynierii Środowiska Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie Wprowadzenie do teledetekcji i fotogrametrii I 1 Obraz analogowy i cyfrowy 1. 1. Historia i rozwój technik rejestracji obrazów Początki tworzenia obrazów giną w pomrokach dziejów. Do dzisiaj zachowały się rysunki i obrazy naskalne datowane aktualnie nawet na kilkadziesiąt tysięcy lat przed narodzeniem Chrystusa (Jaskinia Chauveta Francja 30 000 lat p.n.e). W miarę upływu czasu starano się, aby tworzone obrazy jak najlepiej odzwierciedlały otaczającą rzeczywistość. SłuŜyło temu między innym urządzenie o nazwie camera obscura. Była to skrzynka lub pomieszczenie w ścianie, którego wykonany był otworek (Rys. 1-1). Światło wpadające przez ten otworek tworzyło na przeciwległej ścianie odwrócony obraz tego obiektu, który przed camera obscura się znajdował. Camera obscura stosowana była zarówno przy malowaniu pejzaŝy jak i przy kopiowaniu róŝnego typu dokumentów (Rys. 1-2). otworek Rys. 1-1. Camera obscura

a b Rys. 1-2. Zastosowanie camera obscura (źródło a - http://briancarnold.wordpress.com/2009/10/27/cameraobscura/ b - http://www.aip.org/history/newsletter/spr99/optics.htm) W XVI wieku po raz pierwszy w camera obscura zastosowano obiektyw w postaci soczewki zamiast otworka. Wieki następne to opracowywanie coraz lepszych obiektywów. W styczniu 1839 roku Francuz Francuz Louis Jacques Daguerre opatentował utrwalanie obrazów otrzymywanych za pomocą camera obscura na pokrytej jodkiem srebra płytce miedzianej. Metoda ta od nazwiska wynalazcy została nazwana dagerotypią. Na końcu stycznia Anglik Fox Talbot zaprezentował metodę tworzenia negatywów zdjęć na papierze pokrytym chlorkiem srebra. Nazwano tą metodę kalotypią. I tak oto w roku 1839 w dwóch miejscach niezaleŝnie powstała fotografia. W roku 1861 szkocki fizyk James Clerk Maxwell wykonał pierwszą fotografię kolorową. W fotografii tradycyjnej obraz zapisywany jest na przezroczystym lub nieprzezroczystym podłoŝu pokrytym emulsją fotograficzną. Emulsja to zawiesina w Ŝelatynie tzw. halogenków srebra (jodki, chlorki, bromki srebra). Po naświetleniu emulsji światłem padającym przez obiektyw aparatu fotograficznego tworzy się w niej tzw. obraz utajony. Jest on formą zapamiętania przez emulsję stopnia jej naświetlenia. Po obróbce fotochemicznej zdjęcia (polegającej na wywołaniu obrazu utajonego a następnie jego utrwaleniu) powstaje obraz tworzony przez maleńkie ziarenka (kryształki) srebra. Obraz ten jest tym mocniejszy im mocniej została naświetlona emulsja. Uzyskuje się w ten sposób negatyw (jasne światła na obiekcie to ciemne miejsca na obrazie). Po naświetleniu nowego materiału fotograficznego (np. emulsji na papierze) światłem przechodzącym przez ten negatyw uzyskuje się negatyw z negatywu, czyli pozytyw. Przykładowe przekroje przez fotograficzny materiał negatywowy i przez papier fotograficzny zaprezentowano na Rys. 1-3. emulsja podłoŝe - przezroczyste warstwa przeciwodblaskowa warstwa ochronna emulsja warstwa preparacyjna podłoŝe - papier materiał negatywowy papier fotograficzny Rys. 1-3. Przykładowy przekrój przez fotograficzny materiał negatywowy i przez papier fotograficzny 2

W chwili obecnej fotografia tradycyjna jest coraz rzadziej wykorzystywana, coraz więcej fotografii przekształca się na obraz cyfrowy lub wprost uzyskuje się w sposób cyfrowy. 1. 2. Obraz cyfrowy Obraz cyfrowy powstaje przez podzielenie obrazu na piksele i utworzenie tablicy, w której w odpowiadających pikselom komórkach zapisane są liczby charakteryzujące jasność (lub kolor) piksela. Dla zmniejszenia ilości potrzebnej pamięci oraz przyśpieszenia przetwarzania obrazu jasność są to liczb całkowite. Zasadę tworzenia obrazu cyfrowego przedstawiono na rysunku Rys. 1-4. 202 185 154 92 55 44 201 187 156 101 66 46 207 190 160 117 77 57 207 197 178 134 105 87 214 204 195 169 147 138 214 211 205 192 187 188 212 214 204 203 201 196 215 218 209 210 204 202 219 215 214 212 214 214 Rys. 1-4. Obraz cyfrowy zasada Piksel ma najczęściej kształt kwadratu (moŝe teŝ mieć kształt prostokąta) i jest to najmniejszy jednolity element obrazu. W rzeczywistości obraz cyfrowy zapisany w pamięci komputera nie zawsze ma postać macierzy. Stosowane są róŝne formaty zapisu i róŝne metody kompresji zapisanego obrazu. Kompresje mogą być bezstratne (np. LZW) gdy zmniejszenie objętości pliku nie powoduje straty jakości obrazu, oraz stratne (np. JPEG) czyli takie w których następuje nieodwracalne pogorszenie jakości obrazu po skompresowaniu. Jakość obrazu cyfrowego określa się zazwyczaj za pomocą dwu podstawowych parametrów: Rozdzielczość geometryczna określająca wielkość piksela. Stosowane są róŝne systemy np. jednostki dpi" czyli liczba pikseli w linii obrazu na długości jednego 3

cala, rozmiar terenowego piksela w metrach (w obrazach fotogrametrycznych i teledetekcyjnych), liczba pikseli w całym obrazie (cyfrowe aparaty fotograficzne.) Rozdzielczość radiometryczna - czyli informacja z jaką dokładnością podana jest jasność piksela. ZaleŜy ona od liczby bitów przeznaczonych na zapis liczby określającej jasność. MoŜe to być jeden bit (obraz czarno-biały np czarny rysunek na białym tle), najczęściej jest to osiem bitów, czyli jeden bajt, co daje 256 stopni jasności, natomiast w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się dziesięć, dwanaście lub więcej bitów. Cyfrowy obraz barwny zapisuje się na dwa sposoby. Pierwszy sposób - nazywany często tryb indeksowany" - polega na tym, Ŝe tworzona jest tablica barw, w której poszczególne barwy mają swoje numery i ten numer zapisuje się w pamięci komputera jako barwa danego piksela. Zapis za pomocą ośmiu bitów daje moŝliwość ukazania 256 barw, natomiast zapis za pomocą czterech bitów tylko 16 barw. 0 1 2 3 4 1-5 Rys. 1-5 Fragment obrazu obrazu zapisanego jako jako tryb indeksowany oraz tabela barw 4

Drugi sposób polega na rozbiciu obrazu na kilka obrazów w barwach podstawowych. W zaleŝności od przyjętego zestawu barw podstawowych mamy róŝne systemy np. RGB - kolory: czerwony, zielony, niebieski; CMYK - kolory: cyan, magenta, Ŝółty, czarny. W pamięci komputera zapisuje się wówczas dla jednego obrazu - de facto kilka obrazów składowych, a w kaŝdym obrazie składowym jasności danej barwy podstawowej. Jeśli dla obrazu barwnego w systemie RGB jasność kaŝdego obrazu składowego zapiszemy za pomocą ośmiu bitów otrzymamy około 16.7 mln. odcieni kolorów. R G B obraz barwny Rys. 1-6. Obraz barwny zapisany w systemie RGB oraz obrazy składowe w barwach podstawowych Film i papier do wykonywania zdjęć barwnych zawierają trzy warstwy emulsji czułe na trzy kolory podstawowe. 1. PodłoŜe z tworzywa sztucznego; 2. Warstwa przeciwodblaskowa 3. Emulsja czuła na światło czerwone 4. Emulsja czuła na światło zielone 5. śółty filtr 6. Emulsja czuła na światło niebieskie 7. Filtr ultrafioletowy 8. Warstwa ochronna 9. Światło widzialne źródło: Voytek S Rys. 1.7. Budowa filmu fotograficznego do zdjęć barwnych. 5

1. 3. Histogram obrazu cyfrowego Histogram obrazu jest to wykres przedstawiający ilość pikseli o określonej jasności. Na podstawie histogramu moŝna określić pewne cechy obrazu. Obraz o dobrej jakości radiometrycznej powinien posiadać histogram w miarę wyrównany (oczywiście w zaleŝności od fotografowanego obiektu) a jasności pikseli powinny się zawierać od wartości zero lub prawie zero do wartości prawie maksymalnej (zaleŝnej od przyjętej ilości bitów na zapis np. dla jednego bajta maksymalna wartość wynosi 255). Rys. 1.8. Histogram obrazu o średnim kontraście Rys. 1.9. Histogram obrazu kontrastowego (histogram jest bardzo wyrównany). Obcięte są tony bardzo jasne zamienione na kolor biały i bardzo ciemne zamienione na kolor czarny (pionowe kreski na histogramie dla wartości 0 i 255) 6

Andrzej Wróbel Rys. 1.10. Histogram obrazu o małym kontraście (histogram ma obcięte tony bardzo jasne i/lub bardzo ciemne) Rys. 1.11.Histogram obrazu jasnego (obcięte są tony ciemne - porównaj z rys. 1.7) Rys. 1.12. Histogram obrazu ciemnego (obcięte są tony jasne - porównaj z rys. 1.7) 7

JeŜeli histogram obrazu wskazuje, Ŝe obcięto skrajne jasności w obrazie (dla obrazu ośmiobitowego pojawia się duŝa liczba pikseli o wartości 255) lub skrajne tony ciemne (pojawia się duŝa liczba pikseli o wartości 0) jest to nieodwracalna strata jakości obrazu. Piksele, których jasność wynosi 255 lub 0 (mają barwę biała lub czarną) nie zawierają informacji (którą przy dobrej rejestracji obrazu prawdopodobnie by zawierały) o półtonach w zakresie tonów skrajnych tonów jasnych lub ciemnych mają barwę biała lub czarną. JeŜeli histogram obrazu wskazuje, Ŝe nie wykorzystano skrajnych jasności w obrazie (tonów bardzo ciemnych lub bardzo jasnych) moŝna dokonać operacji rozciągnięcia histogramu. Rozciągnięcie histogramu powoduje zmianę jasności pikseli wg. wybranej funkcji np. liniowej, wykładniczej lub logarytmicznej. Przykład: przy rozciągnięciu liniowym o współczynniku dwa razy piksele o jasności róŝniącej się o jeden będą róŝniły się o dwa. Spowoduje to wykorzystanie w obrazie wszystkich moŝliwych wartości jasności, a zatem poprawi rozróŝnialność elementów obrazu. Trzeba jednak powiedzieć, Ŝe operacja ta nie umoŝliwia ukazania w obrazie informacji, których przed rozciągnięciem histogramu tam nie było, umoŝliwia jedynie wyraźniejsze ukazanie róŝnic pomiędzy poszczególnymi pikselami. Operacja rozciągnięcia histogramu jest często stosowana przy obróbce obrazów satelitarnych. PoniewaŜ sensor w satelicie ma tak ustawione parametry obrazowania, aby moŝna było zarejestrować wszystkie skrajności, jasności pikseli typowego obrazu satelitarnego nie wykorzystują wszystkich moŝliwych wartości. histogram nierozciągnięty histogram rozciągnięty Rys. 1.13. Liniowe rozciągnięcie histogramu 8

a-roz2 Rys. 1. 14. Obraz satelitarny o nie rozciągniętym histogramie (po lewej) i o rozciągniętym (po prawej) 1. 4. Metody pozyskiwania obrazów cyfrowych 1.4.1. Zdjęcie fotograficzne analogowe Zdjęcie fotograficzne analogowe powstaje w kamerze lub aparacie fotograficznym na filmie lub kliszy szklanej pokrytej emulsją światłoczułą (patrz rozdział 1.1). Rys. 1. 15. Zasada rejestracji zdjęcia fotograficznego Aby przetworzyć zdjęcie analogowe na postać cyfrową naleŝy go zeskanować. Najczęściej wykorzystywane są do tego skanery linijkowe (rozdział 1.4.2). Do skanowania zdjęć fotogrametrycznych stosowane są specjalne skanery fotogrametryczne zapewniające wysoką dokładność geometryczną powstałego obrazu. 9

1.4.2. Skaner linijkowy Kamera fotograficzna rejestruje praktycznie w tym samym momencie czasu cały obraz. Zasada działania skanera opiera się na rejestrowaniu obrazu fragment po fragmencie. Promienie świetlne przechodzą przez układ optyczny podobnie jak w przypadku fotografii. Powstający obraz jest rejestrowany za pomocą specjalnych detektorów umieszczonych wpłaszczyźnie tłowej. Detektory te pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego wytwarzają sygnał elektryczny. Pierwotnie był to jeden detektor, a za pomocą ruchomych luster lub wirujących pryzmatów powstający obraz był przesuwany po detektorze. UmoŜliwiało to zarejestrowanie obrazu punkt po punkcie. Rozwiązanie takie nosiło nazwę skaner optyczno-mechaniczny. detektor = piksel obrazu piksel terenowy Rys. 1.16 Zasada działania skanera elektrooptycznego Następnym krokiem było stworzenie skanera elektrooptycznego. W płaszczyźnie tłowej umieszczona jest linijka detektorów (gęsto upakowane detektory ułoŝone wzdłuŝ linii prostej) (rys. 1.16. Praktycznie w tym samym momencie czasu sczytywany jest sygnał z tych wszystkich detektorów, czyli rejestrowana jest jedna linia obrazu. Następnie linia detektorów jest przesuwana w kierunku poprzecznym do niej i w ten sposób rejestruje się obraz linia po linii. Przesunięcie linii realizowane jest przez przesunięcie całego skanera (jak w niektórych skanerach satelitarnych) lub przez przesuwanie obrazu po linijce detektorów za pomocą ruchomych luster lub pryzmatów. Sygnał analogowy wytwarzany przez detektory moŝe być zapisywany w postaci analogowej (np. na taśmie magnetycznej) lub zamieniany na postać cyfrową. 10

1.4.3. Kamera cyfrowa Wykorzystanie linijki detektorów będzie powodowało błędy obrazu, jeśli rejestrowany jest obiekt ruchomy. Dlatego w kamerach cyfrowych wykorzystuje się matrycę detektorów (rys. 2.5). Wszystkie detektory w matrycy sczytywane są praktycznie w jednym momencie czasu w ten sposób rejestruje się równocześnie cały obraz. detektor = piksel obrazu piksel terenowy Rys 1.17 Zasada rejestracji obrazu na matrycy detektorów 1.4.4. Radar teledetekcyjny Opisane powyŝej metody rejestracji obrazu są metodami pasywnymi. Emulsja światłoczuła filmu fotograficznego lub detektory rejestrują promieniowanie własne obiektów lub odbite promieniowanie słoneczne. Radar jest urządzeniem aktywnym wysyła, bowiem impulsy własnego promieniowania i rejestruje ich odbicia od obiektów. Powszechnie w teledetekcji stosowany jest radar bocznego wybierania (SLAR) rejestrujący obraz terenu w pasie leŝącym obok linii przelotu nośnika (samolot, satelita) radaru (rys 1.18). SLAR wykorzystuje promieniowanie mikrofalowe o długości fali od kilku do kilkudziesięciu cm. 11

SLAR tor podsatelitarny rejestrowany pas terenu Rys. 1.18 Zasada działania radaru bocznego wybierania (SLAR) 1.4.5. Lotniczy skaner laserowy Idea działania skanera laserowego jest podobna do działania radaru. Wykorzystywane w nim jest spójne promieniowanie laserowe z reguły z zakresu bliskiej podczerwieni. Skaner wysyła impulsy światła laserowego i mierzy czas potrzebny do powrotu odbitego promienia. UmoŜliwia to precyzyjny pomiar odległości od skanera do punktu odbicia. Pomiar odchylenia promienia od pionu oraz precyzyjne wyznaczenie połoŝenie skanera w przestrzeni (GPS i INS systemy do precyzyjnego pozycjonowania skanera) umoŝliwiają wyznaczenie współrzędnych punktu odbicia promienia z dokładnością od kilkunastu do kilkudziesięciu cm. Linia skanowania jest przewaŝnie prostopadła do kierunku lotu samolotu. Odległość od siebie kolejnych, mierzonych na tej linii punktów odbicia wynosi od 30 cm do kilku m. 12

90 º kierunek lotu samolotu Rys 1.19. Lotniczy skaner laserowy (LIDAR) 13

1.4.6. Lotnicze kamery fotogrametryczne Zawieszenie kamery zawiera równieŝ urządzenia sterujące Ładownik kamery (kaseta z filmem) StoŜek kamery (wymienna część kamery zawierająca obiektyw i ramkę tłową) Rys. 1.20 Nowoczesna kamera fotogrametryczna na film fotograficzny Analogowe lotnicze kamery fotogrametryczne wykonują zdjęcia przewaŝnie w formacie 23x23 cm. Obiektywy kamer mają skorygowane większość błędów. Pozostaje jedynie niewielka dystorsja, która nie powoduje błędów większych niŝ 3-4 µm. Aby uniknąć błędów związanych z niepłaskością filmu jest on na moment wykonania zdjęć przysysany do znajdującej się nad nim płaskiej płytki. Elementy orientacji wewnętrznej kamery (połoŝenie punktu głównego zdjęcia i stałą kamery c k ) wyznacza się w procesie kalibracji kamery. W kamerze lotniczej nie moŝna zmieniać wartości stałej kamery (nie moŝna zmieniać ustawienia ostrości obrazu - jest raz ustawiona fabrycznie). Nie jest to potrzebne, poniewaŝ fotografuje się zawsze z duŝej odległości (jest wówczas duŝa głębia ostrości), a w ten sposób jest zapewniona stałość elementów orientacji wewnętrznej. Fotogrametryczne lotnicze kamery cyfrowe. Oprócz tradycyjnych kamer na film fotograficzny ostatnio opracowano nowe modele kamer rejestrujących obraz w postaci cyfrowej. Ze względu na problemy techniczne z produkcją duŝych matryc kamery lotnicze działają wg dwóch systemów: - Oparte na koncepcji skanera elektrooptycznego - system optyczny obrazuje na linijkach CCD do przodu, w nadirze i wstecz (równocześnie rejestrowane są trzy obrazy) przykład - kamera ADS 80 Leica (rys. 1.21). Całe zdjęcie nie jest w rzucie środkowym. KaŜda linijka obrazu rejestrowana jest w osobnym rzucie środkowym\. - Kamery modułowe kilka obiektywów rejestrujących dla obrazów 14

panchromatycznych inny fragment terenu na matrycach CCD (rys 1.22). Obrazy są łączone w oprogramowaniu kamery w jeden obraz w rzucie środkowym (kamery: DMC firmy Z/I Imaging, UltraCam Eagle firmy Vexcel Imaging) Rys. 1.21. Sposób rejestracji obrazu cyfrową kamerą fotogrametryczną (ADS 80) typu skaner linijkowy. 15

Kamera II 250 DMC firmy Z/I Imaging (rozdzielczość 250 Mpix) 4 głowice R+G+B+IR 4 głowice panchromatyczne obrazujące cztery róŝne fragmenty terenu UltraCam Eagle firmy Vexcel Imaging (obraz panchromatyczny 260 Mpix ) Obraz panchromatyczny połączenie obrazów z 9 matryc oprócz tego obrazy: B, G, R, NIR Rys. 1.21. Lotnicze cyfrowe kamery modułowe 16