3677 ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА NORMSAT

Лабораторная работа № 1

АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА СПУТНИКОВЫХ  ИЗОБРАЖЕНИЙ

В  ПРОГРАММНОЙ  СИСТЕМЕ  NORMSAT

 

  1. 1. Цель работы

Ознакомление с геоинформационной системой NormSat и приобретение навыков работы с ней. Изучение процессов обработки, визуализации и интерпретации космических снимков, выполнение по ним измерений и определение их статистических характеристик.

 

  1. 2. Назначение и основные функции  системы NormSat

NormSat – это географическая информационная система космического картографирования, разработанная на кафедре ЭВМ Рязанской государственной радиотехнической академии. Она предназначена для обработки космических изображений земной поверхности, полученных от российских спутниковых систем дистанционного зондирования в интересах потребителей различных отраслей народного хозяйства.

Основные задачи, решаемые системой NormSat:

  • визуализация космических изображений на экране монитора;
  • измерения на снимках линейных расстояний, площадей, яркости, географических координат объектов земной поверхности;
  • получение статистических характеристик изображений;
  • фотометрическая коррекция изображений с целью устранения яркостных помех, возникающих в процессе съемки и передачи данных;
  • геометрическая коррекция искажений, вызванных кривизной и вращением Земли, нелинейным законом сканирования, изменением параметров орбиты спутника и т.д.;
  • преобразование изображений в картографические проекции и их географическая привязка;
  • совмещение изображений с электронными картами и другие виды обработок.

система NormSat разработана в операционной среде Windows 95/NT4.0 с использованием компилятора Microsoft Visual C++ и обладает стандартизованным MDI‑интерфейсом (Multiple Document Interface – интерфейс составного документа).

Для понимания принципов работы программной системы необходимо разделять такие понятия как документ и область просмотра документа. В данном случае документом является файл с изображением, причем документ – это  не сам файл, а его копия в оперативной памяти. Область просмотра – это окно просмотра данного изображения. Один документ может иметь несколько видов представления. Например, файл с изображением г. Рязани (ryazan.br~) может представляться в цветном виде  (R, G, B) или в виде трех черно-белых снимков, из которых синтезируется цветное изображение.

Количество областей просмотра документа не ограничивается. При закрытии всех окон просмотра закрывается и сам документ, а при закрытии документа закрываются и все его окна просмотра.

Пользовательский интерфейс NormSat реализован в соответствии со стандартом, определяющим интерфейс графической оболочки Windows. Главное окно программы состоит из типичных для среды Windows элементов (рис. 1).

 

 

Рис. 1. Главное окно программы

В верхней части экрана расположена строка заголовка, содержащая название программы. Под строкой заголовка размещается строка меню. Щелчком левой кнопки мыши на имени меню открывается ниспадающее меню, содержащее набор команд. В верхней части рабочего поля главного окна находятся кнопки инструментальной панели, которые используются для оперативного вызова наиболее часто используемых команд. В нижней части окна располагаются строка состояния и несколько информационных панелей, содержащих результаты измерений.

Сразу после запуска NormSat строка меню содержит два пункта:

  • файл;
  • Помощь.

Для открытого документа строка меню расширена и содержит следующие пункты:

  • файл;
  • Изображение;
  • Обработка;
  • Окно;
  • Помощь.

Пункты главного меню представляют собой меню следующего уровня.

Меню файл используется для открытия и сохранения файлов, закрытия документов и выхода из программы.

Меню Изображение предназначено для реализации операций по выделению на изображении областей, построению гистограммы, получению яркостных срезов.

В меню Обработка предусмотрен вызов функций геометрической и фотометрической обработки спутниковых изображений.

Меню Окно используется для управления окнами просмотра. В этом меню пользователю предоставляется возможность выбора нужных видов документа, управления масштабом, компоновкой окон и т.п.

Меню Помощь предназначено для получения кратких сведений о разработчике и версии программы.

Помимо задания режимов работы в главном меню в программе предусмотрена возможность ускоренного выбора некоторых режимов с помощью кнопок инструментальных панелей.

Панель Файл служит для выполнения функций открытия и сохранения файла, нормализации, печати, а также отмены ранее произведенных действий.

Панель Масштаб предназначена для управления масштабом отображения.

Панель Сервис используется для выполнения функций автоконтрастирования, вызова окна контрастирования, гистограммы, яркостного среза,  перехода в режим автоматического скролирования, отображения информации по изображению.

Панель Выделение предназначена для быстрого перехода в режим выделения фрагмента любой замкнутой области, отрезка прямой, строки, столбца или произвольного незамкнутого контура.

Открытие файла с изображением

Работа в системе NormSat начинается с открытия файла исходного изображения. Для этого используются пункты меню Файл – Открыть, либо кнопка . При этом на экране отображается стандартное окно диалога, обеспечивающее доступ к дискам, каталогам и файлам. Файлы космических изображений хранятся в специальном формате BRS и имеют расширение .br~.

Формат BRS подобен стандартному графическому формату BMP и состоит из двух частей: заголовка и видеоданных (подробно формат BMP изучается в лабораторной работе №2). В заголовке содержится как служебная информация общего характера (например, размер изображения), так        и специфические характеристики изображения (тип съемочной аппаратуры, дата и время съемки, положение спутника на момент съемки и т.д.). При открытии файла эта информация считывается и используется компонентами системы NormSat в процессе обработки изображения.

После окончания загрузки файлов в память в окне просмотра отображается цветное изображение, синтезированное из трех черно-белых. Получить информацию об открытом изображении можно, щелкнув правой кнопкой мыши в поле изображения.

Визуализация изображения

Космическая съемка производится специальной аппаратурой в нескольких зонах спектра (например, в трех зонах длиной волны G=0,6-0,7мкм, B=0,7-0,8мкм и R=0,8-0,9мкм). Отсюда полученное изображение воспринимается в непривычном для человеческого глаза виде. Поэтому для распознавания объектов земной поверхности на снимках следует запомнить:

  • растительность на космических изображениях выглядит красной и чем интенсивнее зелень, тем ярче красный цвет;
  • населенные пункты обычно видны как разрывные объекты ярко-голубого или бледно-желтого оттенка;
  • в естественных цветах воспринимаются: песок, облака, снег, водная поверхность.

Говоря о цвете  объектов на изображении, следует иметь в виду, что цвет каждого пиксела  на экране монитора представляется комбинацией трех компонент: красный, зеленый и синий (RGB). При этом коды RGB экранных пикселов отличаются от кодов яркости пикселов исходного изображения, поскольку при выводе изображения на экран выполняется операция его автоматического контрастирования. Под контрастированием понимается процесс преобразования диапазона яркости исходного изображения в диапазон яркости монитора (0-255). Типичная (линейная) функция контрастирования показана на   рис. 2.

 

 

 

Рис. 2. Окно контрастирования

В системе NormSat функция контрастирования подбирается автоматически, чтобы обеспечить наилучшее визуальное восприятие изображения. Для управления параметрами контрастирования, приводящими к изменению яркости и насыщенности изображения, используется диалоговая панель Контрастирование (рис. 2), которая вызывается по нажатию кнопки   или с помощью меню Окно – Инструменты. Модификация параметров контрастирования выполняется путем изменения крутизны и сдвига передаточной характеристики относительно гистограммы распределения яркостей.

Для компоновки изображений в пределах экрана используются меню Окно-Каскад или Окно-Мозаика. Дополнительные виды изображения отображаются посредством меню Окно-Добавить.

Увеличение или уменьшение изображения в окне просмотра происходит с помощью пунктов меню Окно-Масштаб или соответствующих кнопок инструментальной панели.

Задание на изображении рабочей области (т.е. того участка изображения, над которым выполняются различные виды обработок) происходит с помощью кнопок инструментальной панели Выделение.

Измерения на изображениях

Система NormSat позволяет измерять на изображениях:

  • плоскостные и географические координаты отдельных точек;
  • яркости пикселов;
  • длины интерактивно задаваемых контуров;
  • площади выделенных объектов.

Все измерения выполняются с помощью курсора мыши, который должен находиться в области окна просмотра документа. При этом значение измеряемых параметров отображается в специальных информационных панелях (см. рис. 1).

Для определения расстояния между какими-либо объектами следует подвести курсор мыши к первому объекту, нажать левую кнопку и переместить курсор ко второму объекту, затем отпустить кнопку мыши. Длина линии отобразится в специальной информационной панели.

Для измерения площади объекта необходимо сначала выделить область на изображении, после чего автоматически рассчитается площадь выделенного участка.

Определение статистических характеристик изображения

Одной из наиболее емких информационных характеристик изображения является его гистограмма. Гистограмма показывает распределение количества элементов изображения (пикселов) по уровням яркости (0-255).

Для построения гистограммы необходимо сделать  активным окно анализируемого изображения, а затем выбрать пункты меню Изображение-Гистограмма или нажать  кнопку . Полученная гистограмма будет иметь вид как на рис. 3.


Гистограмму можно построить не только по всему изображению, но и по любому выделенному фрагменту, который задается кнопками инструментальной панели Выделение.

Рис. 3. Гистограмма изображения

По гистограмме f(i) рассчитываются статические характеристики изображения: математическое ожидание b и среднеквадратическое отклонение sb, играющие важную роль при расчете параметров автоконтрастирования и фотометрической обработки:

,     ,

где N – число анализируемых элементов изображения.

Оценки и анализируемой области рассчитываются при определенном проценте отсечения шумов. Т.е. имеется возможность исключения из расчетов крайне левых и правых отсчетов гистограммы. Выбор процента отсечения шумов осуществляется с помощью вертикальной полосы прокрутки (рис. 3).

Чтобы получить информацию по интересующему элементу гистограммы, необходимо подвести курсор мыши к требуемому столбцу. При этом активный столбец будет выделен красным цветом, а рядом высветится информация о коде яркости (i)  и количество отсчетов для данного кода яркости.

При выполнении данного пункта студенты должны уметь:

-       оценивать яркостный диапазон наблюдаемого участка изображения;

-       вычислять среднюю яркость снимка в каждом спектральном канале;

-       определять модальность (количество локальных максимумов) гистограммы и яркость снимка, вычисленную по медиане.

Все результаты необходимо уметь интерпретировать.