Post on 15-Apr-2016
description
transcript
JD-UC2004Final-All 1
Introducere in Teledetectie si prelucrarea imaginilor digitale
JD-UC2004Final-All 2
imagini digitale/rezolutie/precizieimagini digitale/rezolutie/precizie
Rezolutie radiometrica/Rezolutie radiometrica/imagini multispectraleimagini multispectrale
Fotogrametrie/stadiul actualFotogrametrie/stadiul actual
Prelucrarea imaginilor digitalePrelucrarea imaginilor digitale
Integrarea in GIS/Aplicatii Integrarea in GIS/Aplicatii
Definitie: Definitie: Teledetecţia Teledetecţia -- ştiinţa şi arta obţinerii de ştiinţa şi arta obţinerii de informaţii despre un obiect, o suprafaţă sau un fenomen, prin informaţii despre un obiect, o suprafaţă sau un fenomen, prin analiza datelor culese de către un echipament care nu este în analiza datelor culese de către un echipament care nu este în
contact cu obiectul, suprafaţa sau fenomenul aflate subcontact cu obiectul, suprafaţa sau fenomenul aflate sub obsobservatieervatie
JD-UC2004Final-All 3
Definirea imaginii digitale• Sunt date care sunt organizate ca o retea (grila) de coloane si randuri
• In mod curent (traditional) reprezinta o arie (scena) geografica
JD-UC2004Final-All 4
Cum se obtin imaginile?• Pentru a putea intelege domeniul prelucrarii imaginilor
sunt necesare cateva concepte simple privind generarea acestora
• Majoritatea imaginilor sunt rezultatul luminii solare reflectata de obiectele de pe suprafata pamantului
JD-UC2004Final-All 5
Generarea imaginilor
Sursa de energie
JD-UC2004Final-All 6
Procesele de teledetectie
EE
A. Radiatia si A. Radiatia si atmosferaatmosfera
B. Interactiunea B. Interactiunea cu tintacu tinta
C. Energia inregistrata si convertita de C. Energia inregistrata si convertita de senzorsenzor
D. Receptie si prelucrareD. Receptie si prelucrare E. Interpretare si analizaE. Interpretare si analiza
CC
BB AA
AADD
12126565282833337676
JD-UC2004Final-All 7
Spectrul electromagnetic• Clasificarea luminii functie de lungimea de unda
Lungime de unda
Raze gama Infrarosu
Spectrul Electromagnetic (EMS)Raze-X Ultraviolet Microunde TV/Radio
Vizibil
˜ 0.4Microni (mia parte din mm)
˜ 0.7
JD-UC2004Final-All 8
Benzi spectraleOchiul uman “masoara” numai energia din zona vizibila a
spectrului (lumina)
Senzorii pot masura si alte portiuni ale spectrului electromagnetic
BenziBenzi
JD-UC2004Final-All 9
Tipuri de imagini• Sunt de doua tipuri
• Multispectral ( 2 sau mai multe Benzi)
• Pancromatic ( 1 Banda/strat)
JD-UC2004Final-All 10
Afisarea (vizualizarea) imaginilor
• Fiecare banda poate fi vizualizata ca o imagine separata
Thematic Mapper Band 1
Band 4Band 5
JD-UC2004Final-All 11
Afisarea imaginilor• Trei benzi pot fi vizualizate simultan
Tuburile (Tunurile) color ale Monitorului
SWIR IR apropiat
RosuVerde
Albastru
Parti ale spectrului
Band3
Band2
Band1
JD-UC2004Final-All 12
Combinatii de Benzi• Pun in evidenta anumite obiecte sau fenomene
Vegetatie Urban
4,3,2 4,3,2 (RGB)(RGB)
3,2,1 3,2,1 (RGB(RGB))
4,5,3 4,5,3 (RGB)(RGB)
JD-UC2004Final-All 13
Principii
• Senzori: a) pasivi (masoara reflectanta)b) activi (RADAR, LIDAR)
• In prezent marea mjoritate a senzorilor sunt de tip “push broom” (o baterie liniara de senzori CCD), imaginea fiind generata linie cu linie.
JD-UC2004Final-All 14
ADS40 – Fotografiere de tip Pushbroom cu Senzor Digital
5 m
JD-UC2004Final-All 15
Principii
Interactiunea energiei cu atmosfera:
• a) dispersia• b) absorbtia• C) alegerea benzilor spectrale (intervale de
lungimi de unda)
JD-UC2004Final-All 16
Principii
Achizitia datelor:a) electronic (in mod curent tehnologie
CCD)b) fotografic (in curs de disparitie)
• Avantaje/dezavantaje• Moduri de achizitie digitale: IFOV, Pixel,
fotograma, cadru
JD-UC2004Final-All 17
Principii
Date de referinta (ground truth). Ajuta la:
• a) cresterea performantei in analiza si interpretarea datelor de teledetectie
• b) calibrarea senzorilor• c) verificarea informatiei extrase din date
JD-UC2004Final-All 18
Fotohrammetria (Photogrammetry) → exploatarea metrica a imaginii
Teledetectia (Remote sensing) → exploatarea thematica a imaginii
• SPOT (French RS satellite) - in 1980 – 90 s-a caracterizat prin:– Scanare digitala in linie,– Capacitatea imagistica stereo – optică de înaltă calitate și model orbital – bun pentru cartografiere stereo și teledetecție
• Ikonos si Quickbird - furnizeaza imagini stereo de inalta calitate - bun pentru crearea hartilor la scara larga si teledetectie
JD-UC2004Final-All 19
JD-UC2004Final-All 20
JD-UC2004Final-All 21
Sistemul de Pozitionare Globala (GPS)
• Pozitionarea unor obiecte si fenomene pe suprafata Pamantului - tehnologia GPS
• Reteaua Navstar, utilizeaza 27 de sateliti, cu orbite foarte bine determinate, aflati la o altitudine de 20.200 km. Orbitele, cvasi-circulare, sunt inclinate la 60º fata de ecuator, distanta intre planele orbitale fiind tot de 60º pe longitudine. Rezulta ca un observator, aflat in orice pozitie pe suprafata Pamantului, va putea receptiona semnale de la minimum 4 sateliti, la un moment dat.
• Aceasta retea poate fi asimilata unei constelatii stelare.
JD-UC2004Final-All 22
Un sistem de teledetectie IDEAL• O sursa de energie uniforma, independenta de timp si spatiu
• O atmosfera care nu genereaza interfetente (nu modifica caracteristicile energiei intre sursa si receptor)
• Interferenta energie-materie stabila si cunoscuta
• Un supersenzor (sensibil la toate lungimile de unda, care sa permita separarea spectrala perfecta a fenomenelor si obiectelor)
• Un sistem de preluare-analiza-interpretare in timp real. In acest mod nu mai sunt necesare datele de teren
Utilizatori multiplii ai seturilor de date. Ar presupune faptul ca informatia care poate fi obtinuta poate fi diferita/partajata intre clase de utilizatori.
JD-UC2004Final-All 23
Un sistem de teledetectie REALCaracteristici
• Sursa de energie. Senzorii pasivi masoara numai energia solara reflectata; aceasta este departe de a fi uniforma (depinde de ora, pozitia pe glob, anotimp, etc.).
• In cazul senzorilor activi, teoretic, avem control asupra sursei de energie, exista neinuformitati legate de lungimea de unda, conditiile atmosferice, pozitia de pe glob etc.
• Atmosfera - Infuenta factorilor atmosferici nu este uniforma si influenteaza in mod constant atat datele obtinute cu senzorii pasivi cat si cu cei activi. Astfel apare ca foarte important rolul calibrarii.
JD-UC2004Final-All 24
Un sistem de teledetectie REAL(continuare)
• Interactiunea energie-materie. Teledetectia ar fi un domeniu simplu daca interactiunea energie-materie ar fi constanta sau uniforma pentru o clasa de obiecte sau fenomene. Desi interpretarea datelor se bazeaza pe asa numita semnatura spectrala, lumea spectrala este plina de ambiguitati. Materiale si obiecte complet diferite pot avea raspunuri spectrale similare si viceversa.
• Senzorul. Un “supersenzor” pur si simplu nu exista. Nu exista senzori sensibili la toate lungimile de unda. Toti senzorii reali au o anumita sensbilitate spectrala. O alta limitare este rezolutia spatiala sau care este cel mai mic obiect spatial care poate fi detectat
JD-UC2004Final-All 25
Un sistem de teledetectie real(continuare)
• Sistemul de prelucrare al datelor - In prezent performantele legate de gestionarea datelor de teledetectie sunt mult sub capacitatea de generare a datelor de catre platforme spatiale (sateliti). Transferul datelor din formatul generat de catre senzori intr-unul utilizabil (cel pe care il vedem deobicei) necesita puteri de calcul considerabile. Un alt aspect este cel legat de accesul rapid la date, uneori imposibil de realizat (tehnologic).
• Utilizatori multiplii ai seturilor de date - Utilizatorul (specializat) este componenta centrala a oricarei aplicatii a teledetectiei. Datele devin informatii numai daca cineva intelege modul in care au fost obtinute, care sunt tehnologiile de interpretare si analiza.
O buna intelegere a domeniului si scopurilor urmarite, corelata cu o cunoastere temeinica a tehnologiilor de teledectie sunt cruciale in obtinerea unor rezultate multumitoare si corecte.
JD-UC2004Final-All 26
Imagini Multispectrale, termale, hiperspectrale
ESANTIONARE:
a) Radiometrica: spectrul electromagnetic este divizat in intervale, numite benzi spectrale. Alegerea acestora se face in functie de o serie de criterii, cel mai importante fiind:
a) interactiunea (absorbtia sau blocarea) cu atmosfera;b) raspunsul spectral al obiectelor si fenomenelor (semnatura spectrala), important in
clasificarea/separearea acestora.
Experienta a condus la alegerea benzilor spectrale in asa fel ncat informatia obtinuta sa aiba un grad redus de redundanta (informatie dintr-o banda sa aiba redundanta minima cu cea din benzile adiacente).
b) Esantionarea se face in mod uzual pe 8 biti (256 nivele de gri), dar si pe 11 biti (2048 nivele de gri) si chiar 16 biti.
In cazul camerelor aeriene digitale imaginile sunt rezultatul combinarii unui
numar de imagini primare. Astfel camera ADS40 genereaza trei imagini primare: nadirala, oblica anterioara, oblica posterioara.
JD-UC2004Final-All 27
Imagini Multispectrale, termale, hiperspectrale
ESANTIONARE:
b) Geometrica Este data de dimensiunea pixelului. Platformele actuale de
teledetectie genereaza atat imagini de mare rezolutie geometrica (submetrica), cat si imagini cu rezolutie metrica sau chiar mai mica (in specil pentru zona termala).
JD-UC2004Final-All 28
Principiile radiatiei termale
Temperatura radiata si temperatura cinetica• Temperatura cinetica se obtine cand senzorul este pus in contact cu
obiectul a carui temperatura dorim sa o masuram. In acelasi timp obiectele radiaza energie, functie de temperatura lor. Energia emisa este folosita in determinarea temperaturii radiate.
• Interpretarea imaginilor termale este un proces deosebit de complex si presupune atat o buna stapanire a teledetectiei, cat si o intelegere corecta a fenomenelor fizice care influenteaza radiatia termala.
• Aplicatii tipice in domeniul termal sunt cele din geologie, unde nu este necesara masurarea directa a temperaturilor obiectelor observate, dar este suficienta masurarea diferentelor in cadrul zonei analizate. In alte tipuri de aplicatii, cum sunt cele legate de masurarea temperaturii apei deversate de instalatiile de racire ale unei centrale nucleare, sunt insa necesare si masuratori directe (cinetice), pentru a putea determina valorile absolute ale temperaturii apei.
JD-UC2004Final-All 29
Senzori hiperspectrali
• Senzorii hiperspectrali (cunoscuti si sub numele de spectrometre generatoare de imagini) sunt instrumente care genereaza imagini intr-un numar foarte mare de benzi spectrale, foarte inguste si apropiate si acoperind o zona intana a spectrului electromagnetic, de la vizibil, infrarosu apropiat, infrarosu termal.
• Numarul tipic de benzi spectrale pentru acest fel de senzori este de minimum 200. Acest tip de senzori permit o mai buna distinctie intre obiecte si fenomene, in special pentru cele care au semnaturi spectrale distincte in zone inguste ale spectrului electromagnetic.
• O caracteristica a senzorilor multispectrali este volumul imens de date generat, impunand utilizarea unor sisteme de stocare, prelucrare si analiza performante.
JD-UC2004Final-All 30
Platforme satelitare actuale
Satelitii Landsat:• Landsat 5, lansat la 1 martie 1984, TM 1-7,
perioada de revizitare 16 zile, inaltime orbita 705 km, rezolutie pixel: 30m
• Landsat 7, lansat in 15 aprilie 1999, 7 TM + Pancromatic (ETM +), perioada de revizitare 16 zile, orbita 705 km, rezolutie 30 m multispectral, 15 m pancromatic, 60 m termal
• Latime imagine: 185 km• Mod de culegere a datelor continuu
JD-UC2004Final-All 31
Platforme satelitare actuale (cont.)
Satelitii SPOT (CNES)• Latime imagine: 120 km, perpendicular pe directia de deplasare a
satelitului.• Posibilitate de obtinere a imaginilor stereoscopice. Se poate genera
un model digital al terenului, la nivelul Globului Terestru, cu precizie de 15 m.
• Include instrumentul Vegetation, care monitorizeaza vegettia la nivel global.
• Spot 4, senzor HRVIR (high resolution visible and infrared). Rezolutie: pancromatic 10 m, infrarosu mijlociu (1,58-1.75 µm) 20m. Seturile de 10m si 20m sunt co-registrate la bordul satelitului.
• SPOT 5, lansat la 3 mai 2002. Precizie sub 50m fara puncte de control (calibrare) la teren.
Rezolutie: a) pancromatic: 2,5 sau 5 m; senzorul are doua baterii CCD, cu rezolutia de 10 m fiecare, rezolutia de 2,5 m rezultand din intercalarea si interpolarea valorilor rezultate;
b) multispectral (verde, rosu si IR apropiat): 10 m, c) mid-IR: 20 m
JD-UC2004Final-All 32
SPOT
JD-UC2004Final-All 33
Platforme satelitare actuale (cont.)Satelitii din seria IRS (Indian Remote Sensing)• Au caracteristici foarte asemanatore satelitilor
Landsat, insa rezolutia pancromatica este de 5m la IRS 1b, 1C, 1D si de 2,5 m la IRS 1E. Rezolutia multispectrala este de 23m
• Satelitii Resurs 3 si 4. Lansati in 1994, respectiv 1998.
• Rezolutie pancromatica: 35m, respectiv 33m. Rezolutie multispectrala: 140m, respectiv 130 m. Rezolutie in zona IR: 560m, respectiv 520 m.
Satelitul japnez ADEOS.• Rezolutie: pancromatic 8m, multispectral 16m.Satelitii ERS (European Remote Sensing) 1 si 2, ai
Agentiei Spatial Europene. Includ un senzor radar cu rezolutie de 15 m.
JD-UC2004Final-All 34
Platforme satelitare actuale (cont.)Sateliti de mare rezolutie1. IKONOS (Space Imaging; a fost cumparat recent de
Orbimage). Lansat la 4 septembrie, 1999. Altitudine: 681 km.
Rezolutie panromatica: submetrica (-.8-1m), rezolutie multispectrala 4m.
Latime orbita: 11km. Altitudine 681 km. Este sistemul cel mai stabilizat ca functionalitate si servicii. Are foarte buna geometrie a imaginilor.
Este un satelit cu un grad ridicat de manevrabilitate. Permite obtinerea de imagini in configuratii complexe (ex. De-a lungul unui rau)
2. Digital Globe (QuickBird). Lansat la 18 octombrie 2001. Altitudine: 480 km.Rezolutie pancromatica: 0.61 m, rezolutie multispectrala 2,4 m. Latime orbita: 16,5 km.
3. ORBIMAGE Orbview-3. Lansat in 2003. Altitudine: 470 km. Latime orbita: 8 km. Rezolutie pancromatica: 1m, rezolutie multispectrala: 4m.
JD-UC2004Final-All 35
Satelliti de inalta rezolutie
Ikonos (SpaceImaging)
• 1m panchromatic and 4m multispectral imagery(NIR, R, G, B)
• 11 bit dynamic range
• Camera specifications not available
Quickbird (Digital Globe)
• 0.61m panchromatic and 2.44m multispectral imagery (NIR, R, G, B)
• 11 bit dynamic range
• Camera specifications available
JD-UC2004Final-All 36
Sateliti teledetectie: Costuri Sunt functie de rezolutie si gradul de prelucrare cerut. Pentru imaginile cu grad inalt de prelucrare (ortofotorectificate) utilizatorul
trebuie sa furnizeze modelul digital al terenului (DTM) si un numar suficient de puncte de control (GCP).
Exista costuri diferite intre imaginile de arhiva si cele realizate la comanda. Pentru cele realizate la comanda, costul creste odata cu solicitarile speciale:
• unghi de preluare fata de nadir (cu cat este mai mic, cu atat precizia creste), • grad de acoperire cu nori (standard 20%), • calitate a imaginii, etc. Orice restrictie fata de solutia standard ridica pretul.
• O serie din solutiile software actuale (ERDAS Imagine) permit prelucrarea la orice nivel a imaginilor satelitare. Este recomandabil ca prelucrarea sa se faca local.
• Costul este intre 0,025 USD/kmp (Landsat 7) si 30-120 USD/kmp pentru satelitii de mare rezolutie. In acest ultim caz costurile sunt mai mari (duble si chiar mai mult) fata de fotogrametrie. Evident exista argumente pro si contra in favoarea fiecarei tehnologii.
JD-UC2004Final-All 37
Sateliti teledetectie: Costuri• Concluzie: nu exista o contradictie intre
fotogrametrie si teledetectie. Fotogrametria urmareste in special aspectul metric.
• Teledetectia pune accentul pe cel tematic.
Avantajul platformelor satelitare il constituie existenta, pentru anumite zone, a unei arhive, cu imagini achizitionate la date diferite. Trebuie remarcat faptul ca mozaicarea unor imagini obtinute la date diferite (unghi fata de nadir diferit, iluminare diferita, conditii meteo diferite, acoperire cu vegetatie diferita, etc.) nu este o problema triviala.
JD-UC2004Final-All 38
Cartare Radar din spatiu
JD-UC2004Final-All 39
Imagini satelitare de mare rezolutie
ikonosikonos
Digital GlobeDigital Globe
IRS 1CIRS 1C
JD-UC2004Final-All 40
DEM
JD-UC2004Final-All 41
Imagine IKONOS (Piata Victoriei-BUC)
JD-UC2004Final-All 42
Imagine Digital Globe
JD-UC2004Final-All 43
Imagine IRS
JD-UC2004Final-All 44
Prelucrarea imaginilor. Clasificare
Date
BruteCulegerea
Semnaturilor
Evaluarea
SemnaturilorClasificare
JD-UC2004Final-All 45
Semnaturi spectrale• Sunt necesare esantioane (grup de pixeli) pentru fiecare
fenomen/obiect care urmeaza a fi clasificat.
• Zonele de esantionare (training fields) sunt seturi de pixeli care includ elemente caractersitice (patterns) necesare identificarii si separarii claselor.
• Din fiecare esantion softul calculeaza elementele statistice necesare determinarii semnaturii spctrale proprii fiecarei clase. – Metode utilizte: Min, Max, Medie, Abatere medie patratica,
Matrice de covarianta
JD-UC2004Final-All 46
Semnaturi spectralePrecizare
Imaginea analogică pentru a putea fi prelucrată pe calculator trebuie digitizată atât în domeniul spaţial, operaţie care se numeşte eşanţionare, cât şi în domeniul valorilor intensităţilor de gri sau de culoare, operaţie care se numeşte cuantizare.
JD-UC2004Final-All 47
Culegerea semnaturilor spectrale
Cunoastere apriorica
Date de teren
Personal ExperientaFotograme
Studii anterioare
Recunoasterea de Recunoasterea de formeforme Lac
Rau
Zona agricola
Padure
Esantion #23
Esantion #13
Esantion #9
JD-UC2004Final-All 48
Clasificarea de tip “Expert”Clasifica pixelii pe baza caracteristicilor spectrale, a Clasifica pixelii pe baza caracteristicilor spectrale, a
relatiilor spatiale si a altor informatii contextualerelatiilor spatiale si a altor informatii contextuale
+ DEM
Road Map Zoning
CoverageClasificarea acoperirii terenurilor
Clasificarea “Expert” se Clasificarea “Expert” se refera la Utilizarea refera la Utilizarea terenurilor si nu la terenurilor si nu la
Acoperirea terenurilorAcoperirea terenurilor
Vegetatie alpina
Parc (rezervatie)
Vegetation pe Panta mare
Vegetation pe panta mica
JD-UC2004Final-All 49
Baza de cunostinte• Baza de cunostinte este construita in Knowledge Engineer
O Baza de Cunostinte este compusa din :
Ipoteze Reguli Variabile
JD-UC2004Final-All 50
UTILIZAREGenerea si publicarea de modele 3D
Teren si Modele UrbaneApplicatii ale modelelor fara textura:• Simularea propagarii zgomotului• Simularea inundatiilor• Analize specifice pentru telecomunicatii, pentru centrale de
vant si solare
Applicatii ale modelelor cu textura foarte detaliata:• Interventii ale pompierilor, politiei si misiuni militare• Turism• Marketing urban• Planificare urbana si arhitectura • Gestionarea utilitatilor (apa, canal, gaze, electricitate, etc.
JD-UC2004Final-All 51
JD-UC2004Final-All 52
Berlin
JD-UC2004Final-All 53
Salzburg
JD-UC2004Final-All 54
Situatia actuala si viitorul modelelor urbane 3D
• Nivele de detaliere (LOD) functie de importanta regiunii • Vizualizarea fotorealistica a unui intreg oras
• Servere de fisiere, combinarea unor surse de date diverse, in diferite formate• Model de date unificat si standardizat pentru toate componentele unui model
urban
• Proiect pilot cu acces limitat• Acces public prin web
• Pregatirea datelor se realizeaza o singura data; actualizari la anumite inervale• Actualizare permanenta in timp cvasireal a bazei de date
• Uz intern; fara distributie comerciala; folosit ca mediu de publicitate si marketing• Modele de business profitabile, servicii on-line pentru grupuri specifice de
utilizator (arhitecti, urbanisti etc.)
JD-UC2004Final-All 55
Nivele de detaliere (LOD)
LOD1
LOD2
LOD3
CAD GIS DTM
Sf. Nicolae DLM 25
Sf. Nicolae DLM 5
Sf. Nicolae masuratori
JD-UC2004Final-All 56
Fluxul de lucru
DEMDEM OrthophotoOrthophotoss
Photo-Photo-grammetrygrammetry
GIS-ModelsGIS-Models
Modele Modele arhitectoniarhitectoni
cece
Imagini Imagini terestreterestre
Server
Publicarea Publicarea datelordatelor
Modele urbane Modele urbane 3D3D
Date de teren (LOD 0Date de teren (LOD 0))
Cladiri (Lod 1, Lod 2)Cladiri (Lod 1, Lod 2)
Fatade (LOD 3)Fatade (LOD 3)
JD-UC2004Final-All 57
LOD 3: Combinarea cu textura din fotografii terestre
• O abordare eficienta si operationala pentru zone relativ mici
• Prelucrari standard• Rapida• Simpla• Ne-operationala pentru orase mari, cu
peste 10.000 de cladiri
JD-UC2004Final-All 58
Obtinerea datelorImagini terestre si imagini aeriene
Textura acoperisurilor din imagini aeriene
Textura fatadelor din fotografii terestre
JD-UC2004Final-All 59
Model 3D Munchen
JD-UC2004Final-All 60
Solutia completa - IMAGINE Virtual-real Delivery
• O solutie flexibila care permite combinarea unui numar mare de tipuri de date intr-o baza de date geospatiala 3D
Imagini sursaDigital Elevation Models
3D Raster Drape3D Vector DrapeDetalii 3D Vector
Adnotari
Elemente care se pot personaliza
3D Model LayersAnimatie
personalizataLocuri de interes
Compresia datelor si modificarea texturii
JD-UC2004Final-All 61
Generarea eficienta si publicarea modelelor 3D-urbane intr-un mediu hard-soft omogen
RC 30, ADS 40, ALS 50, DSW
Fotogrametrie
LPS, ORIMAStereo Analyst forArcGIS
Stereo Analyst for IMAGINE
LPS PRO600
LIDAR Analyst
Compozitia scenelor 3DDTM, Image Data
Hard- si soft dintr-o singura sursa
Generarea de obiecte3D
IMAGINE VirtualGIS
Texel Mapper
IMAGINE Virtual DeliveryLeica Virtual Explorer 3.0
Web-Publishing
JD-UC2004Final-All 62
???