Wprowadzenie do teledetekcji i fotogrametrii I
Wprowadzenie do teledetekcji i fotogrametrii I
Wprowadzenie do teledetekcji i fotogrametrii I
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Andrzej Wróbel<br />
Katedra Geoinformacji Fotogrametrii i Teledetekcji Śro<strong>do</strong>wiska<br />
Wydział Geodezji Górniczej i InŜynierii Śro<strong>do</strong>wiska<br />
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie<br />
<strong>Wprowadzenie</strong> <strong>do</strong> <strong>teledetekcji</strong> i <strong>fotogrametrii</strong> I<br />
1 Obraz analogowy i cyfrowy<br />
1. 1. Historia i rozwój technik rejestracji obrazów<br />
Początki tworzenia obrazów giną w pomrokach dziejów. Do dzisiaj zachowały się<br />
rysunki i obrazy naskalne datowane aktualnie nawet na kilkadziesiąt tysięcy lat przed<br />
narodzeniem Chrystusa (Jaskinia Chauveta – Francja 30 000 lat p.n.e). W miarę upływu czasu<br />
starano się, aby tworzone obrazy jak najlepiej odzwierciedlały otaczającą rzeczywistość.<br />
SłuŜyło temu między innym urządzenie o nazwie camera obscura. Była to skrzynka lub<br />
pomieszczenie w ścianie, którego wykonany był otworek (Rys. 1-1). Światło wpadające przez<br />
ten otworek tworzyło na przeciwległej ścianie odwrócony obraz tego obiektu, który przed<br />
camera obscura się znaj<strong>do</strong>wał. Camera obscura stosowana była zarówno przy malowaniu<br />
pejzaŜy jak i przy kopiowaniu róŜnego typu <strong>do</strong>kumentów (Rys. 1-2).<br />
otworek<br />
Rys. 1-1. Camera obscura
Andrzej Wróbel<br />
a<br />
b<br />
Rys. 1-2. Zastosowanie camera obscura (źródło a - http://briancarnold.wordpress.com/2009/10/27/cameraobscura/<br />
b - http://www.aip.org/history/newsletter/spr99/optics.htm)<br />
W XVI wieku po raz pierwszy w camera obscura zastosowano obiektyw w postaci<br />
soczewki zamiast otworka. Wieki następne to opracowywanie coraz lepszych obiektywów.<br />
W styczniu 1839 roku Francuz Francuz Louis Jacques Daguerre opatentował utrwalanie<br />
obrazów otrzymywanych za pomocą camera obscura na pokrytej jodkiem srebra płytce<br />
miedzianej. Metoda ta od nazwiska wynalazcy została nazwana dagerotypią. Na końcu<br />
stycznia Anglik Fox Talbot zaprezentował metodę tworzenia negatywów zdjęć na papierze<br />
pokrytym chlorkiem srebra. Nazwano tą metodę kalotypią. I tak oto w roku 1839 w dwóch<br />
miejscach niezaleŜnie powstała fotografia. W roku 1861 szkocki fizyk James Clerk Maxwell<br />
wykonał pierwszą fotografię kolorową.<br />
W fotografii tradycyjnej obraz zapisywany jest na przezroczystym lub nieprzezroczystym<br />
podłoŜu pokrytym emulsją fotograficzną. Emulsja to zawiesina w Ŝelatynie tzw. halogenków<br />
srebra (jodki, chlorki, bromki srebra). Po naświetleniu emulsji światłem padającym przez<br />
obiektyw aparatu fotograficznego tworzy się w niej tzw. obraz utajony. Jest on formą<br />
zapamiętania przez emulsję stopnia jej naświetlenia. Po obróbce fotochemicznej zdjęcia<br />
(polegającej na wywołaniu obrazu utajonego a następnie jego utrwaleniu) powstaje obraz<br />
tworzony przez maleńkie ziarenka (kryształki) srebra. Obraz ten jest tym mocniejszy im<br />
mocniej została naświetlona emulsja. Uzyskuje się w ten sposób negatyw (jasne światła na<br />
obiekcie to ciemne miejsca na obrazie). Po naświetleniu nowego materiału fotograficznego<br />
(np. emulsji na papierze) światłem przechodzącym przez ten negatyw uzyskuje się negatyw<br />
z negatywu, czyli pozytyw. Przykła<strong>do</strong>we przekroje przez fotograficzny materiał negatywowy<br />
i przez papier fotograficzny zaprezentowano na Rys. 1-3.<br />
emulsja<br />
podłoŜe - przezroczyste<br />
warstwa przeciwodblaskowa<br />
warstwa ochronna<br />
emulsja<br />
warstwa preparacyjna<br />
podłoŜe - papier<br />
materiał negatywowy<br />
papier fotograficzny<br />
Rys. 1-3. Przykła<strong>do</strong>wy przekrój przez fotograficzny materiał negatywowy i przez papier<br />
fotograficzny<br />
2
Andrzej Wróbel<br />
W chwili obecnej fotografia tradycyjna jest coraz rzadziej wykorzystywana, coraz więcej<br />
fotografii przekształca się na obraz cyfrowy lub wprost uzyskuje się w sposób cyfrowy.<br />
1. 2. Obraz cyfrowy<br />
Obraz cyfrowy powstaje przez podzielenie obrazu na piksele i utworzenie tablicy,<br />
w której w odpowiadających pikselom komórkach zapisane są liczby charakteryzujące<br />
jasność (lub kolor) piksela. Dla zmniejszenia ilości potrzebnej pamięci oraz przyśpieszenia<br />
przetwarzania obrazu jasność są to liczb całkowite. Zasadę tworzenia obrazu cyfrowego<br />
przedstawiono na rysunku Rys. 1-4 .<br />
202 185 154 92 55 44<br />
201 187 156 101 66 46<br />
207 190 160 117 77 57<br />
207 197 178 134 105 87<br />
214 204 195 169 147 138<br />
214 211 205 192 187 188<br />
212 214 204 203 201 196<br />
215 218 209 210 204 202<br />
219 215 214 212 214 214<br />
Rys. 1-4. Obraz cyfrowy – zasada<br />
Piksel ma najczęściej kształt kwadratu (moŜe teŜ mieć kształt prostokąta) i jest to<br />
najmniejszy jednolity element obrazu.<br />
W rzeczywistości obraz cyfrowy zapisany w pamięci komputera nie zawsze ma postać<br />
macierzy. Stosowane są róŜne formaty zapisu i róŜne metody kompresji zapisanego obrazu.<br />
Kompresje mogą być bezstratne (np. LZW) gdy zmniejszenie objętości pliku nie powoduje<br />
straty jakości obrazu, oraz stratne (np. JPEG) czyli takie w których następuje nieodwracalne<br />
pogorszenie jakości obrazu po skompresowaniu.<br />
Jakość obrazu cyfrowego określa się zazwyczaj za pomocą dwu podstawowych<br />
parametrów:<br />
• Rozdzielczość geometryczna określająca wielkość piksela. Stosowane są róŜne<br />
systemy np. jednostki „dpi" czyli liczba pikseli w linii obrazu na długości jednego<br />
3
Andrzej Wróbel<br />
cala, rozmiar terenowego piksela w metrach (w obrazach fotogrametrycznych<br />
i teledetekcyjnych), liczba pikseli w całym obrazie (cyfrowe aparaty fotograficzne.)<br />
• Rozdzielczość radiometryczna - czyli informacja z jaką <strong>do</strong>kładnością podana jest<br />
jasność piksela. ZaleŜy ona od liczby bitów przeznaczonych na zapis liczby<br />
określającej jasność. MoŜe to być jeden bit (obraz czarno-biały np czarny rysunek<br />
na białym tle), najczęściej jest to osiem bitów, czyli jeden bajt, co daje 256 stopni<br />
jasności, natomiast w niektórych zastosowaniach wykorzystuje się dziesięć,<br />
dwanaście lub więcej bitów.<br />
Cyfrowy obraz barwny zapisuje się na dwa sposoby.<br />
Pierwszy sposób - nazywany często „tryb indeksowany" - polega na tym, Ŝe tworzona jest<br />
tablica barw, w której poszczególne barwy mają swoje numery i ten numer zapisuje się w<br />
pamięci komputera jako barwa danego piksela. Zapis za pomocą ośmiu bitów daje moŜliwość<br />
ukazania 256 barw, natomiast zapis za pomocą czterech bitów tylko 16 barw.<br />
0 1 2 3 4<br />
1-5 Rys. 1-5 Fragment obrazu obrazu zapisanego jako jako tryb indeksowany oraz tabela barw<br />
4
Andrzej Wróbel<br />
Drugi sposób polega na rozbiciu obrazu na kilka obrazów w barwach podstawowych.<br />
W zaleŜności od przyjętego zestawu barw podstawowych mamy róŜne systemy np. RGB -<br />
kolory: czerwony, zielony, niebieski; CMYK - kolory: cyan, magenta, Ŝółty, czarny.<br />
W pamięci komputera zapisuje się wówczas dla jednego obrazu - de facto kilka obrazów<br />
skła<strong>do</strong>wych, a w kaŜdym obrazie skła<strong>do</strong>wym jasności danej barwy podstawowej. Jeśli dla<br />
obrazu barwnego w systemie RGB jasność kaŜdego obrazu skła<strong>do</strong>wego zapiszemy za pomocą<br />
ośmiu bitów otrzymamy około 16.7 mln. odcieni kolorów.<br />
R<br />
G<br />
B<br />
obraz barwny<br />
Rys. 1-6. Obraz barwny zapisany w systemie RGB oraz obrazy skła<strong>do</strong>we w barwach<br />
podstawowych<br />
Film i papier <strong>do</strong> wykonywania zdjęć barwnych zawierają trzy warstwy emulsji czułe na<br />
trzy kolory podstawowe.<br />
1. PodłoŜe z tworzywa<br />
sztucznego;<br />
2. Warstwa<br />
przeciwodblaskowa<br />
3. Emulsja czuła na światło<br />
czerwone<br />
4. Emulsja czuła na światło<br />
zielone<br />
5. śółty filtr<br />
6. Emulsja czuła na światło<br />
niebieskie<br />
7. Filtr ultrafioletowy<br />
8. Warstwa ochronna<br />
9. Światło widzialne<br />
źródło: Voytek S<br />
Rys. 1.7. Bu<strong>do</strong>wa filmu fotograficznego <strong>do</strong> zdjęć barwnych.<br />
5
Andrzej Wróbel<br />
1. 3. Histogram obrazu cyfrowego<br />
Histogram obrazu jest to wykres przedstawiający ilość pikseli o określonej jasności. Na<br />
podstawie histogramu moŜna określić pewne cechy obrazu. Obraz o <strong>do</strong>brej jakości<br />
radiometrycznej powinien posiadać histogram w miarę wyrównany (oczywiście w zaleŜności<br />
od fotografowanego obiektu) a jasności pikseli powinny się zawierać od wartości zero lub<br />
prawie zero <strong>do</strong> wartości prawie maksymalnej (zaleŜnej od przyjętej ilości bitów na zapis np.<br />
dla jednego bajta maksymalna wartość wynosi 255).<br />
Rys. 1.8. Histogram obrazu o średnim kontraście<br />
Rys. 1.9. Histogram obrazu kontrastowego (histogram jest bardzo wyrównany). Obcięte są tony<br />
bardzo jasne – zamienione na kolor biały i bardzo ciemne – zamienione na kolor czarny (pionowe<br />
kreski na histogramie dla wartości 0 i 255)<br />
6
Andrzej Wróbel<br />
Rys. 1.10. Histogram obrazu o małym kontraście (histogram ma obcięte tony bardzo jasne<br />
i/lub bardzo ciemne)<br />
Rys. 1.11 .Histogram obrazu jasnego (obcięte są tony ciemne - porównaj z rys. 1.7)<br />
Rys. 1.12. Histogram obrazu ciemnego (obcięte są tony jasne - porównaj z rys. 1.7)<br />
7
Andrzej Wróbel<br />
JeŜeli histogram obrazu wskazuje, Ŝe obcięto skrajne jasności w obrazie (dla obrazu<br />
ośmiobitowego pojawia się duŜa liczba pikseli o wartości 255) lub skrajne tony ciemne<br />
(pojawia się duŜa liczba pikseli o wartości 0) jest to nieodwracalna strata jakości obrazu.<br />
Piksele, których jasność wynosi 255 lub 0 (mają barwę biała lub czarną) nie zawierają<br />
informacji (którą przy <strong>do</strong>brej rejestracji obrazu praw<strong>do</strong>po<strong>do</strong>bnie by zawierały) o półtonach<br />
w zakresie tonów skrajnych tonów jasnych lub ciemnych mają barwę biała lub czarną.<br />
JeŜeli histogram obrazu wskazuje, Ŝe nie wykorzystano skrajnych jasności w obrazie<br />
(tonów bardzo ciemnych lub bardzo jasnych) moŜna <strong>do</strong>konać operacji „rozciągnięcia<br />
histogramu”. Rozciągnięcie histogramu powoduje zmianę jasności pikseli wg. wybranej<br />
funkcji np. liniowej, wykładniczej lub logarytmicznej. Przykład: przy rozciągnięciu liniowym<br />
o współczynniku dwa razy – piksele o jasności róŜniącej się o jeden będą róŜniły się o dwa.<br />
Spowoduje to wykorzystanie w obrazie wszystkich moŜliwych wartości jasności, a zatem<br />
poprawi rozróŜnialność elementów obrazu. Trzeba jednak powiedzieć, Ŝe operacja ta nie<br />
umoŜliwia ukazania w obrazie informacji, których przed rozciągnięciem histogramu tam nie<br />
było, umoŜliwia jedynie wyraźniejsze ukazanie róŜnic pomiędzy poszczególnymi pikselami.<br />
Operacja rozciągnięcia histogramu jest często stosowana przy obróbce obrazów<br />
satelitarnych. PoniewaŜ sensor w satelicie ma tak ustawione parametry obrazowania, aby<br />
moŜna było zarejestrować wszystkie skrajności, jasności pikseli typowego obrazu<br />
satelitarnego nie wykorzystują wszystkich moŜliwych wartości.<br />
histogram nierozciągnięty<br />
histogram rozciągnięty<br />
Rys. 1.13. Liniowe rozciągnięcie histogramu<br />
8
Andrzej Wróbel<br />
a-roz2<br />
Rys. 1. 14. Obraz satelitarny o nie rozciągniętym histogramie (po lewej) i o rozciągniętym (po<br />
prawej)<br />
1. 4. Metody pozyskiwania obrazów cyfrowych<br />
1.4.1. Zdjęcie fotograficzne analogowe<br />
Zdjęcie fotograficzne analogowe powstaje w kamerze lub aparacie fotograficznym na<br />
filmie lub kliszy szklanej pokrytej emulsją światłoczułą (patrz rozdział 1.1).<br />
Rys. 1. 15. Zasada rejestracji zdjęcia fotograficznego<br />
Aby przetworzyć zdjęcie analogowe na postać cyfrową naleŜy go zeskanować.<br />
Najczęściej wykorzystywane są <strong>do</strong> tego skanery linijkowe (rozdział 1.4.2). Do skanowania<br />
zdjęć fotogrametrycznych stosowane są specjalne skanery fotogrametryczne zapewniające<br />
wysoką <strong>do</strong>kładność geometryczną powstałego obrazu.<br />
9
Andrzej Wróbel<br />
1.4.2. Skaner linijkowy<br />
Kamera fotograficzna rejestruje praktycznie w tym samym momencie czasu cały obraz.<br />
Zasada działania skanera opiera się na rejestrowaniu obrazu fragment po fragmencie.<br />
Promienie świetlne przechodzą przez układ optyczny po<strong>do</strong>bnie jak w przypadku fotografii.<br />
Powstający obraz jest rejestrowany za pomocą specjalnych detektorów umieszczonych<br />
wpłaszczyźnie tłowej. Detektory te pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego<br />
wytwarzają sygnał elektryczny.<br />
Pierwotnie był to jeden detektor, a za pomocą ruchomych luster lub wirujących<br />
pryzmatów powstający obraz był przesuwany po detektorze. UmoŜliwiało to zarejestrowanie<br />
obrazu punkt po punkcie. Rozwiązanie takie nosiło nazwę skaner optyczno-mechaniczny.<br />
detektor = piksel<br />
obrazu<br />
piksel<br />
terenowy<br />
Rys. 1.16 Zasada działania skanera elektrooptycznego<br />
Następnym krokiem było stworzenie skanera elektrooptycznego. W płaszczyźnie tłowej<br />
umieszczona jest linijka detektorów (gęsto upakowane detektory ułoŜone wzdłuŜ linii prostej)<br />
(rys. 1.16. Praktycznie w tym samym momencie czasu sczytywany jest sygnał z tych<br />
wszystkich detektorów, czyli rejestrowana jest jedna linia obrazu. Następnie linia detektorów<br />
jest przesuwana w kierunku poprzecznym <strong>do</strong> niej i w ten sposób rejestruje się obraz linia po<br />
linii. Przesunięcie linii realizowane jest przez przesunięcie całego skanera (jak w niektórych<br />
skanerach satelitarnych) lub przez przesuwanie obrazu po linijce detektorów za pomocą<br />
ruchomych luster lub pryzmatów. Sygnał analogowy wytwarzany przez detektory moŜe być<br />
zapisywany w postaci analogowej (np. na taśmie magnetycznej) lub zamieniany na postać<br />
cyfrową.<br />
10
Andrzej Wróbel<br />
1.4.3. Kamera cyfrowa<br />
Wykorzystanie linijki detektorów będzie powo<strong>do</strong>wało błędy obrazu, jeśli rejestrowany<br />
jest obiekt ruchomy. Dlatego w kamerach cyfrowych wykorzystuje się matrycę detektorów<br />
(rys. 2.5). Wszystkie detektory w matrycy sczytywane są praktycznie w jednym momencie<br />
czasu w ten sposób rejestruje się równocześnie cały obraz.<br />
detektor = piksel obrazu<br />
piksel terenowy<br />
Rys 1.17 Zasada rejestracji obrazu na matrycy detektorów<br />
1.4.4. Radar teledetekcyjny<br />
Opisane powyŜej metody rejestracji obrazu są metodami pasywnymi. Emulsja<br />
światłoczuła filmu fotograficznego lub detektory rejestrują promieniowanie własne obiektów<br />
lub odbite promieniowanie słoneczne. Radar jest urządzeniem aktywnym wysyła, bowiem<br />
impulsy własnego promieniowania i rejestruje ich odbicia od obiektów. Powszechnie<br />
w <strong>teledetekcji</strong> stosowany jest radar bocznego wybierania (SLAR) rejestrujący obraz terenu<br />
w pasie leŜącym obok linii przelotu nośnika (samolot, satelita) radaru (rys 1.18). SLAR<br />
wykorzystuje promieniowanie mikrofalowe o długości fali od kilku <strong>do</strong> kilkudziesięciu cm.<br />
11
Andrzej Wróbel<br />
SLAR<br />
tor<br />
podsatelitarny<br />
rejestrowany pas terenu<br />
Rys. 1.18 Zasada działania radaru bocznego wybierania (SLAR)<br />
1.4.5. Lotniczy skaner laserowy<br />
Idea działania skanera laserowego jest po<strong>do</strong>bna <strong>do</strong> działania radaru. Wykorzystywane<br />
w nim jest spójne promieniowanie laserowe z reguły z zakresu bliskiej podczerwieni. Skaner<br />
wysyła impulsy światła laserowego i mierzy czas potrzebny <strong>do</strong> powrotu odbitego promienia.<br />
UmoŜliwia to precyzyjny pomiar odległości od skanera <strong>do</strong> punktu odbicia. Pomiar odchylenia<br />
promienia od pionu oraz precyzyjne wyznaczenie połoŜenie skanera w przestrzeni (GPS i INS<br />
– systemy <strong>do</strong> precyzyjnego pozycjonowania skanera) umoŜliwiają wyznaczenie<br />
współrzędnych punktu odbicia promienia z <strong>do</strong>kładnością od kilkunastu <strong>do</strong> kilkudziesięciu cm.<br />
Linia skanowania jest przewaŜnie prostopadła <strong>do</strong> kierunku lotu samolotu. Odległość od siebie<br />
kolejnych, mierzonych na tej linii punktów odbicia wynosi od 30 cm <strong>do</strong> kilku m.<br />
12
Andrzej Wróbel<br />
90 º<br />
kierunek lotu samolotu<br />
Rys 1.19. Lotniczy skaner laserowy (LIDAR)<br />
13
Andrzej Wróbel<br />
1.4.6. Lotnicze kamery fotogrametryczne<br />
Zawieszenie kamery<br />
– zawiera równieŜ<br />
urządzenia sterujące<br />
Ła<strong>do</strong>wnik kamery<br />
(kaseta z filmem)<br />
StoŜek kamery (wymienna część<br />
kamery zawierająca obiektyw i<br />
ramkę tłową)<br />
Rys. 1.20 Nowoczesna kamera fotogrametryczna na film fotograficzny<br />
Analogowe lotnicze kamery fotogrametryczne wykonują zdjęcia przewaŜnie<br />
w formacie 23x23 cm. Obiektywy kamer mają skorygowane większość błędów. Pozostaje<br />
jedynie niewielka dystorsja, która nie powoduje błędów większych niŜ 3-4 µm. Aby uniknąć<br />
błędów związanych z niepłaskością filmu jest on na moment wykonania zdjęć przysysany <strong>do</strong><br />
znajdującej się nad nim płaskiej płytki. Elementy orientacji wewnętrznej kamery (połoŜenie<br />
punktu głównego zdjęcia i stałą kamery c k ) wyznacza się w procesie kalibracji kamery.<br />
W kamerze lotniczej nie moŜna zmieniać wartości stałej kamery (nie moŜna zmieniać<br />
ustawienia ostrości obrazu - jest raz ustawiona fabrycznie). Nie jest to potrzebne, poniewaŜ<br />
fotografuje się zawsze z duŜej odległości (jest wówczas duŜa głębia ostrości), a w ten sposób<br />
jest zapewniona stałość elementów orientacji wewnętrznej.<br />
Fotogrametryczne lotnicze kamery cyfrowe.<br />
Oprócz tradycyjnych kamer na film fotograficzny ostatnio opracowano nowe modele<br />
kamer rejestrujących obraz w postaci cyfrowej.<br />
Ze względu na problemy techniczne z produkcją duŜych matryc kamery lotnicze działają<br />
wg dwóch systemów:<br />
- Oparte na koncepcji skanera elektrooptycznego - system optyczny obrazuje na<br />
linijkach CCD <strong>do</strong> przodu, w nadirze i wstecz (równocześnie rejestrowane są trzy<br />
obrazy) przykład - kamera ADS 80 – Leica (rys. 1.21). Całe zdjęcie nie jest<br />
w rzucie środkowym. KaŜda linijka obrazu rejestrowana jest w osobnym rzucie<br />
środkowym\.<br />
- Kamery modułowe – kilka obiektywów rejestrujących dla obrazów<br />
14
Andrzej Wróbel<br />
panchromatycznych inny fragment terenu na matrycach CCD (rys 1.22). Obrazy<br />
są łączone w oprogramowaniu kamery w jeden obraz w rzucie środkowym<br />
(kamery: DMC firmy Z/I Imaging, UltraCam Eagle firmy Vexcel Imaging)<br />
Rys. 1.21. Sposób rejestracji obrazu cyfrową kamerą fotogrametryczną (ADS 80) typu skaner<br />
linijkowy.<br />
15
Andrzej Wróbel<br />
Kamera II 250 DMC firmy Z/I Imaging<br />
(rozdzielczość 250 Mpix)<br />
4 głowice R+G+B+IR<br />
4 głowice panchromatyczne obrazujące cztery róŜne<br />
fragmenty terenu<br />
UltraCam Eagle firmy Vexcel Imaging<br />
(obraz panchromatyczny 260 Mpix )<br />
Obraz panchromatyczny – połączenie<br />
obrazów z 9 matryc<br />
oprócz tego obrazy: B, G, R, NIR<br />
Rys. 1.21. Lotnicze cyfrowe kamery modułowe<br />
16
Change language