TEMAT: Wykorzystanie danych rastrowych w GIS

TEMAT: Wykorzystanie danych rastrowych w GIS
1. Definicja danych rastrowych.
Obraz rastrowy jest cyfrową reprezentacją (odwzorowaniem) badanego obiektu. W przypadku
cyfrowej reprezentacji powierzchni Ziemi są to zdalnie pozyskiwane obrazy satelitarne,
radarowe oraz lotnicze zdjęcia fotogrametryczne. Dla potrzeb GIS wykorzystywane są
głównie zdjęcia satelitarne. Dane cyfrowe są przechowywane w plikach danych zazwyczaj w
specjalnie stworzonych dla tego celu formatach i w takiej formie są one dystrybuowane.
Obraz rastrowy uważać można za macierz o N wierszach i M kolumnach, której każdy
element stanowi najmniejszą (atomową / niepodzielną) składową obrazu rastrowego o NxM
wymiarach. Taką składową nazywamy pixlem (pikselem). W zależności od przyjętego
formatu archiwizacji danych oraz ich rozdzielczości matematycznym opisem piksela może
być wartość, grupa wartości lub funkcją.
Np. Dla obrazka binarnego (wartości 0 lub 1 logiczne) Jest to macierz 0 i 1.
OBRAZ RASTROWY
N=7 M=5
REPREZENTACJA CYFROWA
0
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
Piksel na zdjęciu satelitarnym opisuje wartości jasności odbicia spektralnego w danym
zakresie widma.
Rys. Widmo fali elektromagnetycznej ( za Erdas Fidel Guide)
2. Charakterystyka zobrazowań satelitarnych pod względem
organizacyjnym.
Jak wspomniano powyżej pojedyncze zdjęcie jest reprezentacją powierzchni terenu w
pewnym zakresie widma spektralnego, zatem w celu pozyskania możliwie największej i
najbardziej istotnej dla odbiorcy informacji kompletne dane o wybranym fragmencie
powierzchni zawierają szereg zdjęć w różnych, specjalnie dobranych zakresach widma. Taką
pojedynczą porcję informacji nazywamy kanałem (ang. Band – zakres, pasmo).
Rys. Organizacja rastrowych danych
satelitarnych.
3 kanały
1 piksel
Zobrazowania satelitarne jako dane surowe posiadają zniekształcenia katów i powierzchni,
ponadto posiadają własny układ odniesienia w postaci kolumn i wierszy. Aby doprowadzić
obraz do kartometryczności należ poddać go procesowi geometryzacji.
 Proces geometryzacji polega na takim przekształceniu, w wyniku którego usytuowanie
punktów względem siebie staje się takie jak na mapie. Przy porównaniu zdjęć z
innymi materiałami lub zasilaniu go w inne informacje konieczne jest uprzednie
zgeometryzowanie danych.
3. Rozdzielczość zdjęć satelitarnych.
Wyróżniamy następujące rodzaje rozdzielczości:




PRZESTRZENNA – wymiar piksela
RADIOMETRYCZNA – liczba tonów szarości (6,8,10,11 bitów)
SPEKTRALNA – liczba i zakres kanałów
CZASOWA – częstotliwość zobrazowań
4. Podstawowe systemy satelitarne.
Pierwszym systemem satelitarnego pozyskiwania informacji był TIROS. Powstał on w 1960r.
Obecnie jako źródła danych dla GIS powszechnie wykorzystuje się wiele systemów
satelitarnych. Najważniejsze ( wg rozdzielczości przestrzennej) to:
•
•
•
•
•
•
NOAA
LANDSAT MSS
LANDSAT TM
SPOT
IKONOS
QUICK BIRD
4.1 NOAA (The National Oceanic and Atmospheric Administration)
System zaprojektowano specjalnie dla meteorologii, jednakże ze względu na jakość i
przydatność danych gromadzonych przez niego wykorzystuje się je w wielu dziedzinach (od
Rolnictwa do Oceanografii)
Skaner AVHRR satelity NOAA charakteryzuje się małą skalą zobrazowania i jest w stanie
pokryć w jednym zobrazowaniu obszar całego kraju.
Kanały skanera AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)
1. 0.58 - 0.68 µm (zakres widzialny)
2. 0.70 - 1.10 µm (bliska podczerwień)
3. 3.55 - 3.93 µm (średnia podczerwień)
4. 10.30 - 11.30 µm (podczerwień termalna)
5.11.50 - 12.40 µm (podczerwień termalna)
Rozdzielczość: 1100 x 1100 m
Rozdzielczość czasowa 1 dzień.
Rozdzielczość radiometryczna: 10 bitów (1024 poziomów szarości)
Wielkość zobrazowania: 2700 x 2700 km
Rys. Przykładowe zdjęcie wykonane skanerem AVHRR/NOAA
Zdjęcia tego typu można przetwarzać do postaci lepiej przyswajanej przez oko ludzkie za
pomocą wzmocnienia kontrastu.
Rys. Zasada wzmocnienia kontrastu:
255
Zakres wartości
oryginalnych
0
255
0
Zakres wartości
po wzmocnieniu
Rys. Obraz po wzmocnieniu kontrastu.
4.2. LANDSAT
LANDSAT wyposażony w skaner TM (thematic mapper)
wielospektralnym systemem skanującym o wyższej
przestrzennej i spektralnej niż NOAA.
Wcześniejszym skanerem satelity Landsat był skaner MSS
Scanner). Posiada on mniejszą rozdzielczość i jest rzadziej
opracowań geologicznych i badań nad wegetacją)
Skaner TM:
• wielospektralne: 7kanałów
• rozdzielczość geometryczna: 28.5 m
• kanał 6 termalny 120m
• rozdzielczość czasowa: 16 dni
jest również
rozdzielczości
(Multispectral
używany (dla
Rys. Przykładowe zdjęcia systemu LANDSAT
KANAŁ 3
KANAŁ4
Poszczególne kanały niosą informacje pomocne dla identyfikacji różnych
elementów. Na etapie klasycznego przetwarzania zdjęć satelitarnych łączy się
różne kanały w przestrzeni barw RGB. Wynikiem tego procesu są kolorowe
obrazy o rozdzielczości zdjęć panchromatycznych a uzyskany efekt umożliwia
łatwą identyfikację zjawisk (np. choroby lasów, identyfikacja zabudowy).
Najczęściej wykorzystywane są kombinacje kanałów skanera TM (3,2,1),
(4,3,2),(5,4,2):
Rys. Kombinacja kanałów 3,2,1 – obraz w barwach zbliżonych do naturalnych
(tzn. w barwach odbieranych przez oko ludzkie)
4.3. SPOT
Jest to francuski system satelitarny uruchomiony w 1986 r. (pierwszy satelitakolejne 1990 i 1993r)
System jest zdolny rejestrować ten sam obszar co 26 dni.
Zdjęcia prócz klasycznych, których płaszczyzna jest prostopadła do lini zenitnadir ma możliwość wykonywania obrazów pod pewnym niewielkim kontem.
Możliwość wykonywania zdjęć nachylonych pozwala tworzyć stereoskopowe
obrazy terenu.
Wyposażony jest w 2 skanery: XS i PAN
Parametry:
XS
8 bitów / 256 poziomów szarości
KANAŁ
ZAKRES
1
0.50 - 0.59 µm (zieleń)
2
0.61 - 0.86 µm (czerwień)
3
0.79 - 0.89 µm (podczerwień)
Rozdzielczość terenowa: 20m
Wielkość zobrazowania: 60 x 60 km
PAN
KANAŁ
ZAKRES
1
0.51 - 0.73 µm
Rozdzielczość terenowa: 10m
Wielkość zobrazowania: 60 x 60 km
4.4. IKONOS, QUICK BIRD
Ikonos
 Panchromatyczny 0.45-0.90 – 1mx1m
 Wielospektralny 4mx4m
1
0.45-0.53 um
2
0.52-0.61 um
3
0.64-0.72 um
4
0.76-0.90 um
Quick Bird: panchromatyczny 60 cm
wielospektralny 3.0 m
Rys. Przykładowe zdjęcia satelity IKONOS (wielospektralny)
(panchromatyczny)
5. Perspektywy rozwoju systemów satelitarnych.
Obecnie na orbitach okołoziemskich umieszczonych jest około 45 satelitów a
w najbliższym czasie planowanych jest 70 misji satelitarnych. Przewiduje się
że do połowy XXI w. będzie ponad 120 misji satelitarnych
Systemy akwizycji obrazów również czeka rozwój. Planuje się zmiany
dotyczące wielkości chwilowego pola widzenia skanerów i zwiększenie liczby
kanałów. Zupełną nowością są skanery hiperspektralne. Znacznemu
podniesieniu ulegnie także rozdzielczość radiometryczna.
Literatura:
1. Chris Smith Nicki Brown Erdas Fidel Guide (ERDAS Inc.)
2. American Society of Photogrammetry. 1980 “Photogrammetric Engineering and
Remote Sensing.