4. Обзор программного обеспечения для обработки космических снимков

Специфика данных дистанционного зондирования (ДДЗ) Земли, многообразие космической информации и решаемых задач привело к созданию разнообразного программного обеспечения.

Профессиональные программные продукты для обработки снимков имеют определенные особенности, отличающие их от систем общего назначения, таких, как PhotoPoint, PhotoShop, и профессиональных систем обработки изображения, применяемых в научных исследованиях (типа пакета/языка IDL) [20].

Эти особенности заключаются в специфике самих данных зондирования [20]:

• значительные объёмы файлов, для эффективной работы с которыми необходимы специальные средства (например, полный оцифрованный снимок камеры КВР-1000 при наилучшем разрешении на местности 2 м требует 1,5 Гб машинной памяти);

• использование многозональной съёмки с числом зон более трех, которые нельзя трактовать как изображения RGB True Color (24 бит/ пиксель); возникает задача оптимальной визуализации изображений, анализа информативности разных зон;

• необходимость географической привязки снятой территории;

• необходимость учёта множества других факторов, таких как влияние атмосферы, кривизны Земли и др.

Всё многообразие программного обеспечения для обработки данных дистанционного зондирования, в том числе и космических снимков, можно разделить на две основные группы:

• программные продукты, предназначенные для анализа изображения (выполняющие обработку «одиночных» снимков);

• программные продукты, выполняющие фотограмметрическую обработку снимков.

Первые позволяют выполнять: геометрическую, радиометрическую и фотометрическую коррекцию или улучшение изображения, географическую привязку снимков, трансформирование, дешифрирование и классификацию изображения, векторизацию, запросы и анализ, составление мозаик, редактирование, компоновку карт и многое другое.

Примерами таких комплексов служат: ENVI (the Environment for Visualizing Images), ER Mapper, IDRISI и другие.

Программный комплекс ENVI (the Environment for Visualizing Images), разработанный американской компанией RSI (Research Systems, Inc.), предназначен для визуализации и обработки данных дистанционного зондирования. Он имеет открытую архитектуру и предоставляет пользователю возможность индивидуальной настройки с помощью программного языка пользователя IDL. Он включает в себя функции: по обработке и глубокому анализу гиперспектральных снимков, по исправлению геометрических и радиометрических искажений, поддержки объемных растровых и векторных форматов, по интерактивному улучшению изображений, по интерактивному дешифрированию и классификации, по выбору области обработки, векторного отображения, по оцифровке, правки, построения запросов, по анализу снимков в радиодиапазоне [21].

Программный комплекс ENVI обеспечивает обработку данных, полученных со спутников Landsat, SPOT, RADARSAT, NASA, NIMA, NOAA, EROS Data Center, Space Imaging, Terra, ESA, а также предусматривается включение в этот список EartWatch и ORBIMAGE и других спутников [21].

Программный пакет ER Mapper фирмы Earth Resource Mapping Pty. Ltd. (Австралия) является одной из наиболее функциональных систем обработки ДДЗ. Он рассчитан на применение во всех отраслях науки, техники и промышленности, где требуется обработка больших наборов геофизической и географической информации (контроль природных ресурсов, лесное хозяйство, информационное обеспечение управления землепользованием, разведка минеральных ресурсов, разведка и добыча нефти и газа). Каждая из прикладных отраслей имеет свои особенности, которые учтены в пакете для получения полного и эффективного решения. Программное обеспечение содержит библиотеку алгоритмов, необходимых для обработки широкого спектра данных — от спутниковых съемок до сейсмических измерений. Имеется возможность модифицировать существующие алгоритмы или добавлять в библиотеку новые [20, 22].

Программный пакет ER Mapper поддерживает ввод растровых и векторных данных более чем из 100 форматов, имеет возможность обработки изображений с помощью формул и фильтров, выполнения управляемой классификации и векторизации растровых данных. В программе обеспечивается полная поддержка всех существующих координатных систем и создан один из самых полных комплектов картографических проекций и эллипсоидов. Пакет ЕR Mapper снабжен развитым аппаратом для подготовки карт высокого полиграфического качества [22].

IDRISI (IDRISI Project, Clark University) – программный пакет для персональных компьютеров предназначен для анализа пространственно распределенной информации, получаемой из различных источников. В состав пакета входит блок обработки ДДЗ, включающий возможности как общей обработки снимков (контрастирование, фильтрация, координатная привязка, создание псевдоцветных композиций, анализ главных компонент и др.), так и тематического дешифрирования методами автоматической и полуавтоматической классификации. Для некоторых съемочных платформ (Landsat) существуют специальные способы обработки, в частности, преобразование данных 6-го канала Landsat в температурные показатели и др. [20].

В программном пакете IDRISI имеются модули работы с радарными изображениями, анализ морфологической структуры (шероховатости) поверхности и группа уникальных «мягких» классификаторов, основанных на нечетких параметризациях. Они позволяют не принимать жестких решений об отнесении пикселя к определенному классу на первых этапах и дают информацию о принадлежности пикселя к каждому из выделенных классов по отдельности. Помимо функций обработки ДДЗ, в состав пакета входит мощный модуль анализа растровых карт, в том числе построенных на основании результатов обработки ДДЗ. Пакет имеет развитые возможности ввода и импорта-экспорта данных. В частности, можно импортировать «сырые» данные в форматах BIL и ВIР, просматривать и редактировать байтовую структуру файлов [20].

Программные комплексы, выполняющие фотограмметрическую обработку снимков, предназначены для обработки стереопар, маршрутов или блоков. Они могут выполнять фототриангуляцию, построение цифровых моделей рельефа, создавать фотопланы и ортофотопланы, позволяют составлять и обновлять карты по космическим снимкам. Примерами такого программного обеспечения могут служить PHOTOMOD, Z-Space, Socet Set и другие.

Система PHOTOMOD предназначена для многофункциональной прецизионной фотограмметрической обработки стереопар изображений. В настоящее время PHOTOMOD объединяет широкий набор программных средств цифровой фотограмметрической обработки ДДЗ, позволяющих получать пространственную информацию на основе изображений практически всех коммерчески доступных съемочных систем, таких как кадровые цифровые и пленочные камеры, космические сканирующие системы высокого разрешения, а также радары с синтезированной апертурой [23].

Пакет программных модулей PHOTOMOD, предназначенный для проведения основных фотограмметрических работ, позволяет выполнить ориентирование стереопары, автоматизированное построение цифровой модели рельефа в виде регулярной и нерегулярной триангуляционной сети или «гладкой» модели, интерактивное редактирование ЦМР в стереорежиме, построение ортофотопланов и горизонталей, векторизацию по ортофотопланам с возможностью измерения трехмерных характеристик создаваемых объектов. Имеется модуль дешифрирования в стереорежиме с установлением топологических связей и экспортом в векторно-топологический формат [20].

Система PHOTOMOD позволяет обрабатывать данные сканерной съёмки со следующих спутников: SPOT 1 – 5 (HRV, HRVIR, HRG, HRS), Terra/ASTER, IRS-1C, 1D/PAN, IKONOS, QuickBird, EROS, Landsat-7/ETM+, OrbView [24]. Модуль PHOTOMOD Radar Viewer предназначен, главным образом, для просмотра изображений поверхности Земли, полученных радиолокаторами с синтезированной апертурой космического базирования ERS-1/2, Radarsat, "Алмаз-1", SIR-C/X, а также растров в форматах USGS, GTOPO30, GeoTIF, Tiff, BMP [25].

Многофункциональный программный пакет Ortho/Z-Space, разработанный специалистами компании Совинформспутник, предназначен для фотограмметрической обработки космических снимков ТК-350, а также панорамных и кадровых космических снимков КВР-1000, КФА-1000, МК-4, Landsat TM, Ikonos, IRS 1C/1D и аэрофотоснимков [26].

Система позволяет создавать и редактировать ортоизображения, цифровые модели рельефа, а также получать базисные компоненты композитных изображений для 3D-моделей. Ortho/Z-Space является программным продуктом, ориентированным на ПК с простым структурированным интерфейсом [26, 27].

В состав программного пакета Ortho-Space входят [26]:

• модуль V&M – для визуализации и измерения изображения;

• модуль Ospace – для выполнения внешнего ориентирования исходного изображения;

• геодезический калькулятор GeoSpace, позволяющий вычислить координаты точек в различных геодезических системах координат и проекциях;

• модуль Ortho – для ортотрансформирования и геометрического исправления исходного изображения;

• утилиты экспорта/импорта изображений и ЦМР.

Цифровая фотограмметрическая станция Z-Space предназначена для автоматического создания, редактирования и синтезирования цифровых моделей рельефа по снимкам ТК-350 и аэрофотоснимкам. С помощью данного программного пакета возможна «сшивка» и нарезка ЦМР, а также создание 3D-изображений [28]. Программное обеспечение цифровой фотограмметрической станции Z-Space выполняет следующие функции [26]:

• внутреннее ориентирование снимков;

• взаимное ориентирование снимков;

• внешнее ориентирование модели;

• ортотрансформирование снимков ТК-350;

• построение ЦМР;

• автоматическая коррекция ЦМР;

• слияние ЦМР;

• просмотр, редактирование и фильтрация созданной ЦМР в интерактивном режиме;

• построение изолиний;

• редактирование изолиний в стереорежиме;

• экспортирование ЦМР, изолиний и векторных слоёв в формат DXF, ASCII, OrthoSpace;

• 3D-визуализация ЦМР.

В Z-Space используется поперечно-цилиндрическая система координат Гаусса-Крюгера, эллипсоид Крассовского и Балтийская система высот. Пользователь может задавать свою прямоугольную систему координат [27].

Многие программные комплексы объединяют в себе возможности фотограмметрической обработки снимков и фотометрической коррекции, т.е. возможности первой и второй группы. Ярким примером таких систем является Erdas Imagine. К ним также относятся следующие системы: VI²STA (DATRON/TRANSCO Inc. Imagin Systems Division — DTi International Imaging Systems), TNTmips (Microimages Inc.), EASI/PACE Image Processing Kit и другие [20].

Компания ERDAS, как подразделение компании Leica Geosystems, специализируется на разработке программного обеспечения для обработки изображений дистанционного зондирования – космических и аэроснимков. Основной продукт компании – система обработки изображений ERDAS IMAGINE. Самая последняя версия, ERDAS IMAGINE 8.7, содержит усовершенствованные инструменты обработки изображений в среде Вьюера Просветного Стола (IMAGINE Geospatial Light Table™), новые инструменты импорта и экспорта изображений, усовершенствованный инструмент монтажа изображений, а также новые возможности трёхмерной визуализации [29].

Модули программы ERDAS IMAGINE имеют средства для просмотра снимков, импорта-экспорта, преобразований изображения, выполняемых «на лету», а также средства подготовки оформленных твердых копий и некоторые утилиты. Программный комплекс содержит богатый набор средств для обработки изображения и пространственного анализа на базе растровой модели. Имеются процедуры классификаций, средства привязки и трансформирования изображений. Есть утилита для построения мозаики из нескольких изображений, сливающая их в один файл [20].

В пакет встроен графический редактор алгоритмов (Spatial Modeler), который позволяет рисовать блок-схему алгоритма обработки, интерактивно определяя в ней все наборы данных и функции, дополняя комментариями, и затем запускать сконструированный алгоритм на выполнение.

Модуль IMAGINE OrthoBASE – это основа фотограмметрических решений ERDAS. Этот модуль позволяет обрабатывать сотни космических и аэрофотоснимков, получая на выходе фотоплан картографической точности. Вариант OrthoBASE Pro также позволяет автоматически получить модель рельефа местности [29]. Модуль OrthoBASE — полнофункциональная фотограмметрическая система, включающая фототриангуляцию по блоку, стереорежим дисплея, автоматизированное и интерактивное построение цифровой модели рельефа (ЦМР) в виде растра или триангуляционной нерегулярной сети, редактирование ЦМР в стереорежиме, построение цифровых ортофотоизображений [20].

Stereo Analyst – это второй фотограмметрический продукт ERDAS, позволяющий работать с парами снимков в стереорежиме. С его помощью выполняется стереодешифрирование, аналогично традиционным фотограмметрическим приборам [29].

Модуль IMAGINE Radar Mapping Suite реализует различные аспекты обработки радарных изображений [29].

Многообразие различных прикладных задач, решаемых по космическим снимкам, требует развития не только различных съёмочных систем, но и программного обеспечения для обработки полученных данных. Из обзора, выполненного в первой главе, следует, что на сегодняшний день разработан ряд программных средств, позволяющих выполнять практически любую обработку данных дистанционного зондирования. Существующее программное обеспечение дополняется и совершенствуется по мере развития технологий обработки снимков. Однако повышение требований к конечному продукту, получаемому по космическим снимкам, вызывает потребность в разработке новых программных продуктов. Так программный пакет Z-Space предназначен для выполнения фотограмметрической обработки космических снимков ТК-350, построения по ним цифровых моделей рельефа, редактирования и работы с полученными моделями. В данном программном пакете не предусмотрена возможность совместной обработки космических снимков ТК-350 и КВР-1000. Поскольку внести изменения в пакет Z-Space оказалось невозможно из-за отсутствия доступа к алгоритмам программы, совместно с компанией «Совинформспутник» в рамках хоздоговорной работы разрабатывалась программа Mftec, позволяющая выполнять совместную обработку снимков ТК-350 и КВР-1000. Целью совместной обработки является повышение точности обработки снимков ТК-350 за счёт более высокого пространственного разрешения снимков КВР-1000.

При разработке любого программного обеспечения необходимо проводить его тестирование и исследование. Аналогичная задача была поставлена при разработке модулей программы совместной обработки космических снимков ТК-350 и КВР-1000 Mftec, что и являлось основной целью данной дипломной работы.

2 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЛГОРИТМА ПРОГРАММЫ ОБРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ТК-350 (MFTEC)

2.1 Назначение программы Mftec

Программа Mftec разработана для совместной обработки космических снимков ТК-350 и КВР-1000. Она включает в себя следующие модули:

• модуль – «Компаратор»;

• модуль внутреннего ориентирования снимков;

• модуль взаимного ориентирования снимков;

• модуль построения свободно ориентированной ЦМР;

• модуль внешнего ориентирования модели.

2.2 Описание алгоритма модуля «Компаратор»

Модуль «Компаратор» предназначен для измерения координат точек снимка в системе координат цифрового изображения (в пикселях). Программа также позволяет выполнить «вклейку» фрагментов снимков КВР-1000, позволяющих повысить информативность и точность обработки снимков ТК-350. Для выполнения «вклейки» используются файлы с фрагментами в формате BMP и специальные файлы-проекты, позволяющие привязать фрагмент к снимку. Для привязки фрагмента необходимо задать координаты его левого верхнего угла на снимке ТК-350.

Работа в модуле «Компаратор» может быть представлена следующим образом:

• перевод исходных снимков (в данном случае ТК-350) в тайловый формат;

• подготовка данных: «нарезка» фрагментов и создание файлов-проектов;

• загрузка модуля «Компаратор»;

• загрузка снимков (в данном случае ТК-350);

• установка параметра, необходимого для «вклейки» фрагментов;

• загрузка файлов-проектов «вклейки»;

• выполнение измерений координат точек снимков;

• загрузка ранее выполненных измерений;

• сохранение измеренных координат точек стереопары и выход из модуля.

Перевод снимков в тайловый формат осуществляется с помощью специальной программы BmpToDat, разработанной для этой цели. Данный формат позволяет оперативно работать с изображениями большого размера.

Цель подготовки данных, т.е. «нарезка» фрагментов снимка КВР-1000 и их привязка к ТК-350, заключается в получении файлов с необходимой информацией в заданном формате. Предлагается два варианта подготовки данных:

• сначала «нарезать» фрагменты на снимке КВР-1000, а затем привязать их к снимкам ТК-350;

• сначала наметить положение фрагментов на снимках ТК-350, а затем «нарезать» их из снимка КВР-1000.

Для «нарезки» фрагментов может использоваться любой графический редактор (например, Photoshop, paint и др.). Последовательность выполняемых операций будет следующая: открытие снимка КВР-1000 в графическом редакторе, выделение и копирование необходимого фрагмента, запись фрагмента в отдельный файл с расширением bmp в 8 битном формате. Для автоматизации процесса «вклейки» (открытие необходимого фрагмента) файл следует называть: Kv1.bmp, Kv2.bmp и т.д., где цифра показывает номер фрагмента.

В первом варианте подготовки данных сначала нарезаются фрагменты снимков КВР-1000, а затем выполняется отождествление левого верхнего угла фрагмента изображения на снимке ТК-350 и измерение его координат в модуле «Компаратор». Во втором варианте необходимо сначала измерить координаты точки на снимке ТК-350, соответствующие верхнему левому углу фрагмента, подлежащего вставке, а при нарезке отождествить его положение на снимке КВР-1000 и принять за исходный.

Файл проекта создается в любом текстовом редакторе с расширением *.cm. В каждой строке файла записываются через пробел следующие цифровые данные:

• номер фрагмента;

• координаты (x, y) левого верхнего угла фрагмента в пикселях на снимке ТК-350;

• любые два числа, например 0, 0 (зарезервированные);

• длина и ширина фрагмента (по осям x, y) в пикселях снимка КВР-1000.

Одна строка соответствует одному фрагменту. Проекты создаются отдельно для левого и правого снимков. При этом фрагмент изображения для левого и правого снимков будет одним и тем же, изменяться будут только координаты левого верхнего угла. Ниже приведены примеры содержания файлов-проектов для левого и правого снимков ТК-350:

Пример проекта для левого снимка ТК-350:

1 9459.600000 9814.400000 0 0 226.20108 374.73412

2 10135.250000 9889.500000 0 0 471.00000 535.00000

3 9628.250000 8903.000000 0 0 196.00000 351.00000

Пример проекта для правого снимка ТК-350:

1 4357.250000 9822.250000 0 0 226.20108 374.73412

2 5038.250000 9909.500000 0 0 471.00000 535.00000

3 4521.750000 8911.250000 0 0 196.00000 351.00000

Загрузка снимков осуществляется с помощью кнопок «Open TK-350 image left» и «Open TK-350 image right».

Перед загрузкой проектов необходимо установить параметр, «Set Zoom», показывающий, сколько пикселей КВР-1000 соответствует одному пикселю снимка ТК-350. Данный параметр не обязательно является целым числом.

Загрузка файлов-проектов «вклейки» осуществляется отдельно для левого и правого снимков нажатием кнопок «Load KVR frames project left» и «Load KVR frames project right» соответственно.

Процесс измерения координат точек снимка выполняется при помощи мыши следующим образом. Масштаб изображения в области измерения точки необходимо увеличить нажатием правой клавиши мыши. Величина увеличения соответствует установленному параметру Set Zoom. При измерении координат точек в области «вклейки» фрагмента КВР-1000 (показывается красной рамкой на снимке) нажатием левой клавиши мыши выполняется «вклеивание» небольшого участка данного фрагмента (размером 25х25 пикселей), а также появляется диалоговое окно (dialog), отображающее весь фрагмент снимка КВР-1000 (при необходимости нужно указать какой файл необходимо открыть). Данное окно облегчает выбор точек и, если его закрыть, то после следующего выполнения вклейки оно откроется снова. В основу процесса «вклеивания» положен метод корреляции. Процесс «вклеивания» показан на рисунке 6.

1 – положение вставляемого фрагмента снимка КВР-1000 на снимке ТК-350, 2 – увеличенное изображение снимка ТК-350, 3 – «вклеенный» участок фрагмента снимка КВР-1000, 4 – окно «dialog», отображающее весь фрагмент снимка КВР-1000

Рисунок 6 – «Вклейка» участка фрагмента снимка КВР-1000

«Вклеенный» фрагмент увеличивается нажатием левой клавиши мыши, затем выполняются измерения (также левой клавишей мыши) координат выбранной точки. При этом можно работать одновременно с левым и правым снимками, не закрывая окон с увеличенными изображениями на каком-либо из них. Точки маркируются и нумеруются (в порядке измерения). На рисунке 7 показан процесс измерения координат точек снимка ТК-350 с применением «вклейки» фрагмента снимка КВР-1000.

1 – границы вставляемого фрагмента снимка КВР-1000 на снимке

ТК-350, 2 – увеличение фрагмента и «вклейка» небольшого участка,

3 – увеличение «вклеенного» участка и измерение координат точки,

4 – маркировка и нумерация точек

Рисунок 7 – Измерение координат точек снимков

Для удаления точек необходимо подвести курсор мыши к данной точке в активном окне, отображающем увеличенное изображение области измерения, и нажать клавишу Delete.

При измерении координат точек вне области «вклейки» фрагмента снимка КВР-1000 необходимо увеличить область измерения правой клавишей мыши, а затем выполнить измерение при помощи левой клавиши. Отменить увеличение можно при помощи повторного нажатия правой клавиши мыши.

При необходимости можно загружать выполненные ранее измерения с помощью кнопки «Load measurements».

Сохранение измерений производится нажатием кнопки «Save measurements».

Окна навигаторов, отображающие уменьшенные в 64 раза изображения снимков, служат для удобства работы при измерении координат точек снимка. Для быстрого перемещения в нужную часть снимка необходимо нажать левую клавишу мыши в соответствующей части окна навигатора. Положение фрагментов вклейки и точек, координаты которых измерены, также отображаются в окнах навигатора: фрагменты – голубым цветом, точки – зелёным (рисунок 8).

Рисунок 8 – Окно навигатора