Przetwarzanie zobrazowań cyfrowych w systemie ERDAS IMAGINE

Przetwarzanie zobrazowań cyfrowych w systemie ERDAS IMAGINE

GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
ppor. mgr inż. Leszek PASZKOWSKI
PRZETWARZNIE ZOBRAZOWAŃ CYFROWYCH
W SYSTEMIE ERDAS IMAGINE – PERSPEKTYWY
POZYSKIWANIA DANYCH DLA CELÓW WSPARCIA
GEOPRZESTRZENNEGO SIŁ ZBROJNYCH RP
W ciągu ostatnich kilku lat nasiliły się procesy głębokich przemian
w strukturze Służby Geograficznej WP. Spowodowane były przystąpieniem Polski
do Sojuszu Północnoatlantyckiego i przyjęcie szeregu zobowiązań w zakresie wsparcia
geograficznego wojsk sojuszniczych, zwłaszcza tzw. „zobowiązania praskiego”. Procesowi temu sprzyja ustawiczny rozwój nowoczesnych technik pozyskiwania
i przetwarzania danych geoprzestrzennych. Przede wszystkim postawiono
na informatyzację procesów technologicznych i adaptację najnowszych rozwiązań
w dziedzinie geodezji i kartografii, co w efekcie spowodowało ukierunkowanie na tzw.
Systemy Informacji Geograficznej (GIS). Służą one do gromadzenia, przechowywania
i przetwarzania zbiorów geoprzestrzennych integrując dane pochodzące z różnych źródeł. Postęp technologiczny pozwala na coraz szybsze przetwarzanie coraz to większych
zbiorów danych. Dane w postaci cyfrowej mają charakter uniwersalny. Można je wykorzystywać w różnych systemach, swobodnie transformować i przekształcać do żądanej postaci, tworzyć różnorodne zbiory, które zapisywane na nośnikach danych lub
udostępniane w systemach sieciowych mogą być łatwo rozpowszechniane.
W Systemach Informacji Geograficznej to właśnie dane, obok sprzętu, oprogramowania i wykwalifikowanej kadry, są najcenniejszym i najważniejszym elementem. Ich pozyskiwanie jest pracochłonne i bardzo drogie, dlatego stosuje się wiele różnych technik, począwszy od klasycznych metod geodezyjnych, aż po najnowsze rozwiązania w dziedzinach fotogrametrii i teledetekcji. Wśród tych ostatnich najbardziej
perspektywiczne i cenne wydaje się przetwarzanie zobrazowań cyfrowych. Pod tym
pojęciem, kryją się sceny satelitarne, zeskanowane zdjęcia lotnicze (rys. 2) oraz inne
zdalnie pozyskane obrazy cyfrowe przedstawiające powierzchnię Ziemi.
Zobrazowania cyfrowe pozyskiwane są za pomocą detektorów zamontowanych
na pokładach samolotów, bezzałogowych środków latających oraz satelitów umieszczonych na orbitach okołoziemskich. Tak pozyskane dane mogą być efektywnie wykorzystane tylko wówczas, gdy znamy dokładnie warunki w jakich one powstają. Chodzi
tu przede wszystkim o parametry pozwalające określić pozycję sensora względem odwzorowywanej powierzchni w momencie tworzenia obrazu. Musimy zatem znać parametry orientacji wewnętrznej, które pozwalają na zdefiniowanie geometrii wewnątrz
sensora oraz elementy orientacji zewnętrznej określające zależności pomiędzy obrazem
a terenowym układem współrzędnych (rys. 1). Posiadając te dane możemy wykorzystując nowoczesne oprogramowanie i sprzęt komputerowy dokonywać zaawansowanych
przekształceń dających w efekcie produkty charakteryzujące się wysoką kartometrycznością i ogromnym bogactwem treści.
57
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Wśród profesjonalnych pakietów służących do przetwarzania zobrazowań cyfrowych, coraz większe zastosowanie ma w Służbie Geograficznej WP pakiet ERDAS
IMAGINE. Wybór tego oprogramowania związany jest niewątpliwie z naszą przynależnością do NATO i ścisłą współpracą z państwami sojuszu, w szczególności
z USA, lecz przede wszystkim z ogromnymi możliwościami jakie ten pakiet posiada.
Armia Stanów Zjednoczonych z powodzeniem wykorzystuje ERDAS IMAGINE
od wielu już lat jako zaawansowane narzędzie do przetwarzania zobrazowań cyfrowych, wspierając wojska operacyjne precyzyjnymi i niezwykle cennymi materiałami
wytworzonymi na ich podstawie.
z’
z
y
φ
κ
y’
ω
x
O
x’
f
yp
o
p
xp
P – Punkt naziemny
Z
Zo
Y
Xp
Xo
Yo
Yp
X
f – ogniskowa
o – punkt główny zdjęcia
Xo, Yo, Zo – współrzędne terenowe środka rzutów
ω, φ, κ – kąty obrotu odpowiednio wokół osi x, y, z
Rys. 1. Elementy orientacji wewnętrznej (f, xo,yo) i zewnętrznej (Xo, Yo, Zo, φ, ω, κ)
58
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Szczególne znaczenie ma wsparcie wojsk działających w warunkach bojowych, tak jak to miało miejsce podczas ostatnich interwencji w Afganistanie czy Iraku,
a jeszcze wcześniej w Jugosławii. To przede wszystkim na podstawie zobrazowań cyfrowych dokonywano interpretacji celów naziemnych. Zastosowanie metod teledetekcyjnych pozwoliło nie tylko na określenie cech ilościowych, ale też jakościowych. Bez
problemu, niezwykle szybko, można bowiem określić np. charakter pokrycia terenu,
czy też sklasyfikować grunty, wyodrębnić obszary podmokłe zbiorniki wodne i inne
przeszkody terenowe.
Rys. 2. Wizualizacja środków pola walki w terenie
Odpowiednie przetworzenie zobrazowań cyfrowych pozwala na określenie dokładnych współrzędnych zinterpretowanych celów, które zasilają precyzyjne systemy
naprowadzania broni najnowszej generacji. Systemy te mogą analizować dane obrazowe i w czasie rzeczywistym poprawiać własną pozycję namierzając cel z niezwykle
wysoką dokładnością. Pozyskując obrazy stereo mamy z kolei możliwość wygenerowania Numerycznego Modelu Rzeźby Terenu (NMRT) – odzwierciedla topografię lub
też Numerycznego Modelu Powierzchni Terenu (NMPT) odzwierciedla pokrycie terenu (rys. 3) przedstawia NMPT wykonany na podstawie zdjęć lotniczych). Na podstawie
tychże modeli można dokonywać zaawansowanych analiz przejezdności terenu, symulacji lotów, obszarów zalewowych, optymalnych czy też alternatywnych ciągów komunikacyjnych. Mogą nam również posłużyć do wygenerowania cennego kartometrycznego produktu tzw. ortofotomapy, umożliwiając korekcję zniekształceń
spowodowanych deniwelacją terenu.
Dane obrazowe pozyskane za pomocą bezzałogowych środków latających
(BSL) oraz satelitów pozwalają na prowadzenie zaawansowanego monitoringu zjawisk
i procesów zachodzących na powierzchni ziemi (rys. 4). Taki monitoring może obejmować kontrolę rozmieszczenia i przemieszczania wojsk własnych oraz sił przeciwnika, stanowiąc swoisty system wczesnego ostrzegania na polu walki oraz dostarczając
danych pozwalających na wypracowanie optymalnych rozwiązań w zakresie planowania i wykonywania działań ofensywnych, obronnych i przemieszczania wojsk. Cyfrowe
dane obrazowe na szeroko skalę można wykorzystywać do dokonywania oceny zniszczeń, szacując z wysoką dokładnością skuteczność przeprowadzonego ataku, skalę
zniszczeń, skutki przeprowadzonych działań ofensywnych wojsk własnych i przeciwnika. To z kolei pozwala na szybkie uzyskanie informacji o stanie infrastruktury oraz
o kolejnych potencjalnych celach na powierzchni Ziemi. Wszystko to bez konieczności
wykonywania wywiadu terenowego, który z oczywistych względów byłby bardzo
niebezpieczny, czy wręcz niemożliwy.
59
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Rys. 3. Zdjęcie lotnicze (Warszawa Bemowo – miasteczko akademickie WAT)
Osiedle domków jednorodzinnych –
widoczne bryły poszczególnych budynków
Boisko sportowe WAT –
teren płaski
Rektorat
Wojskowej
Akademii
Technicznej
Rys. 4. Numeryczny Model Powierzchni Terenu wykonany z przetworzonych zdjęć
lotniczych (Warszawa Bemowo – miasteczko akademickie WAT)
z wykorzystaniem modułu OrthoBase pakietu ERDAS (wizualizacja VirtualGIS)
60
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Wszystkie te atuty sprawiają, że cyfrowe dane obrazowe są nieustannie obecne
we wsparciu geoprzestrzennym wojsk na kolejnych etapach działań bojowych. Elementy geograficzne sił wsparcia wojsk operacyjnych muszą zatem posiadać bezpośredni
dostęp do źródeł danych obrazowych, co zapewnić mogą wysokiej klasy środki łączności. Systemy takie z powodzeniem funkcjonują np. w Iraku, gdzie Amerykanie posiadając bezpośrednią łączność z satelitami zbierającymi dane obrazowe systematycznie
mogą pozyskiwać zobrazowania na dowolny obszar zainteresowania. W podobne środki łączności mają zostać wyposażone tzw. Mobilne Zespoły Zabezpieczenia Geograficznego, tworzone w Służbie Geograficznej WP, mające działać w ramach Sił Odpowiedzi NATO (NATO Response Forces – NRF). Obecnie działająca w PKW w Republice Iraku Grupa Wsparcia Geograficznego nie ma takich możliwości i korzysta głównie z danych obrazowych uzyskanych od sojuszników amerykańskich, udostępniających głównie jednometrowe panchromatyczne sceny satelitarne.
Pozyskanie zobrazowań to jednak dopiero początek. Aby właściwie je wykorzystać konieczne jest zaawansowane przetworzenie danych obrazowych, tak by
otrzymać żądany efekt i wyodrębnić interesującą nas informację. Często też posiadane
zobrazowania należy poddać zaawansowanej korekcji geometrycznej bądź radiometrycznej bez których niemożliwe staje się wykorzystanie ich treści. Do tych właśnie
procesów wykorzystywany jest pakiet ERDAS IMAGINE. Jest on zintegrowanym
systemem do szczegółowej analizy obrazu, wykonywania zadań teledetekcyjnych,
przetwarzania i wizualizacji danych przestrzennych oraz tworzenia i drukowania kompozycji mapowych. Oprogramowanie to składa się z wielu modułów umożliwiających
wykonywanie niemal wszystkich dostępnych współcześnie operacji na obrazach cyfrowych i tworzenie w ten sposób nowych użytecznych produktów.
Moduł Leica Photogrammetry Suite (LPS) – to fotogrametryczny pakiet
ERDASA pozwalający na wykonywanie szeregu operacji procesu fotogrametrycznego
(orientacja wewnętrzna, zewnętrzna, aerotriangulacja, ortorektyfikacja, mozaikowanie),
oraz generowanie Numerycznego Modelu Terenu na podstawie zdjęć lotniczych lub
scen satelitarnych (posiada wbudowane algorytmy dla najpopularniejszych satelitów
komercyjnych: IKONOS, SPOT, QuickBird, i IRS).
W 6 Samodzielnym Oddziale Geograficznym przy użyciu LPS wykonano ortofotomapę cyfrową na obiekt wielkomiejski Lublin. Samodzielnie przeprowadzono
wszystkie etapy procesu fotogrametrycznego, włącznie z zaprojektowaniem i pomiarem polowej osnowy fotogrametrycznej. Materiałem podstawowym były zdjęcia lotnicze w skali 1 : 20 000 wykonane we wrześniu 2003 r. Punkty osnowy pomierzono odbiornikami GPS z dokładnością przekraczającą 0.5 piksela (maksymalna odchyłka
na niezależnych punktach kontrolnych wyniosła 12 cm). W procesie aerotriangulacji
wykorzystano zaawansowany algorytm wykrywania błędów grubych, co pozwoliło
na automatyczne wykluczenie z dalszych obliczeń błędnych pomiarów. Błąd średni
kwadratowy aerotriangulacji wyniósł 0,38 m, natomiast błędy na niezależnych (nie biorących udziału w procesie wyrównania) punktach typu Check wyniósł:
Mx=0,42 m
My=0,45m
Mz=0,34 m
61
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Dotychczasowe pakiety fotogrametryczne ERDASA nadawały się do opracowań małoskalowych. Uzyskane powyżej wyniki świadczą o tym, że LPS
z powodzeniem można wykorzystywać do opracowywania ortofotomap w dużych skalach. Niezbędny do procesu ortorektyfikacji Numeryczny Model Terenu wygenerowano automatycznie. Ekstrakcja w LPS bazuje na algorytmie automatycznej korelacji
obrazów. Aby wyeliminować błędy NMT, polegające głównie na stawianiu punktów na
wysokich elementach infrastruktury, budynkach i wierzchołkach drzew, model podano
zawansowanej filtracji. Na każdym zdjęciu wskazano newralgiczne obszary i ustawiono odpowiednią strategię filtracji obostrzając warunki jakie model musi spełniać. Pozwoliło to na wyeliminowanie większości błędów modelu i uniknięcie zniekształceń
ortoobrazów, uwidaczniających się zwłaszcza w postaci tzw. „wichrowatości” budynków. W procesie mozaikowania wykorzystano większość dostępnych metod spektralnego dostosowywania obrazów uzyskując w efekcie kartometryczny, jednolity radiometrycznie produkt. Uzyskana ortofotomapa stanowić będzie doskonały materiał podkładowy przede wszystkim do tworzenia i aktualizacji istniejących map wektorowych.
Również i to zadanie można wykonać z wykorzystaniem odpowiednich modułów ERDASA umożliwiających digitalizację warstw Arc Coverage i Shapefile
na podkładzie zobrazowań czyli tworzenie i edycję warstw wektorowych.
Na szczególną uwagę zasługuje przede wszystkim praca w trybie stereo pozwalająca na zbieranie trójwymiarowych obiektów na podstawie stereogramu zobrazowań
czyli tzw. stereodigitalizacja (wektoryzacja 3D) – rys.5. Możliwa jest ona przy wykorzystaniu modułu Stereo Analyst pozwalającego na stereoskopową obserwację obrazów epipolarnych i poruszanie się w przestrzeni trójwymiarowej w celu pozyskiwania
bądź edycji danych.
Rys. 5. Ekstrakcja informacji
geograficznej z zobrazowania,
źródło ERDAS
62
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Pakiet ERDAS IMAGINE pozwala na użytkowanie ponad 120 różnych formatów danych obrazowych, tworzenia i drukowania map w 225 rożnych projekcjach,
wyświetlanie i analizę baz danych geograficznych ESRI, grupowe wykonywanie procesów zgodnie z zaplanowanym harmonogramem.
Moduł Interpreter udostępnia kilkadziesiąt różnych operacji pozwalających
na wykonywanie przestrzennego, radiometrycznego i spektralnego wzmacniania zobrazowań. Poza tym posiada zestaw narzędzi pozwalających na ekstrakcję informacji
z zobrazowań hiperspektralnych, które prezentują powierzchnię Ziemi w bardzo dużej
liczbie pasm (kanałów). Dla przykładu: satelita SPOT skanuje w trzech pasmach,
Landsat TM w siedmiu, natomiast przykładowy sensor hiperspektralny AVIRIS
(Air-borne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) w 224 kanałach. Każdy obiekt terenowy ma określone zdolności do odbijania konkretnych zakresów widma promieniowania, a pochłaniania innych. Na podstawie widma możemy zatem takie obiekty identyfikować porównując ich profil spektralny z profilem wzorcowym znajdującym się
w bibliotekach sygnatur spektralnych dołączonych do oprogramowania. Przy tak dużej
ilości kanałów, można wyodrębnić nawet najmniejsze szczegóły. Interpretację profili
spektralnych na szeroką skalę wykorzystuje się przede wszystkim w mineralogii oraz
do rozróżniania niektórych typów roślinności. Interpreter daje ponadto możliwość wykonywania analizy Fouriera na obrazach cyfrowych. Pozwala to na przejście z przestrzeni obrazowej do przestrzeni częstotliwości i jest najczęściej wykorzystywane
do usuwania okresowych zakłóceń oraz szumów z zobrazowania. Znajdujące się
w pakiecie funkcje analizy topograficznej pozwalają na tworzenie obrazów nachylenia,
kierunku nachylenia (ekspozycji stoku), cieniowanych lub kolorowanych obrazów
rzeźby, budowanie rastrowego obrazu warstwicowego z podanego modelu wysokościowego, budowanie powierzchni trójwymiarowych z punktów, analizę widoczności
(z uwzględnieniem punktu obserwacji), tworzenie obrazów anaglifowych, drapowanie
obrazów rastrowych oraz warstw wektorowych i annotation (rys. 6).
Rys. 6. Drapowanie warstwy wektorowej, źródło ERDAS
Funkcje analizy GIS umożliwiają analizę sąsiedztwa, odległości, agregację.
Ponadto mamy możliwość automatycznego wykrywania zmian obrazu (różnic pomiędzy dwoma obrazami), wykonywania operacji algebraicznych i złożonych funkcji matematycznych na przetwarzanych obrazach, rasteryzacji czyli konwersji danych wektorowych na rastrowe czy też łączenie rozdzielczości – połączenie dwóch zdjęć o różnej
rozdzielczości przestrzennej w jeden obraz (resolution merge).
63
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Moduł Data Preparation posiada narzędzia służące do reprojekcji danych obrazowych z jednego układu do drugiego, tworzenia profili spektralnych, powierzchniowych i przestrzennych, korekcji geometrycznej zobrazowań (wpasowania w określony układ odniesienia, transformację do określonych odwzorowań, usunięcie błędów,
zniekształceń pochodzących z różnych źródeł), mozaikowania (łączenie wielu zobrazowań w jedno i wyrównanie różnic radiometrycznych pomiędzy poszczególnymi ortoobrazami), tworzenia trójwymiarowej powierzchni z pliku danych punktowych. Imagine Radar to z kolei specjalistyczne narzędzia do analizy informacji w obrazach radarowych.
Moduł VirtualGIS umożliwia trójwymiarową wizualizację Numerycznego
Modelu Terenu, nakładek rastrowych i wektorowych (rys. 7) i tworzenie na ich podstawie tzw. „wirtualnych światów” oraz filmów zawierających trajektorię lotu nad terenem, w tym również z wykorzystaniem danych GPS. Ponadto tworzenie warstw widoczności, zachmurzenia i zamglenia oraz symulację obszarów zalewowych.
Rys. 7. Tworzenie „wirtualnych światów” poprzez nałożenie na NMT zobrazowania rastrowego oraz tematycznych warstw wektorowych, źródło ERDAS. Wizualizacja 3D pozwala na poruszanie się w wirtualnej rzeczywistości w celu wykonywania analiz, symulacji lotów, realizacji zadań planistycznych i projektowych.
Classifer pozwala na wykonywanie klasyfikacji nienadzorowanej oraz zaawansowanej klasyfikacji nadzorowanej, dzięki czemu rastry ciągłe zostają przekształcone w rastry tematyczne, które w wyniku interpretacji pozwalają na wyodrębnienie
cech jakościowych i ilościowych zobrazowania. W ten sposób możemy określić charakter pokrycia terenu, dokonać klasyfikacji gleb, poszukiwać złóż minerałów, oceniać
stan drzewostanu i wiele, wiele innych.
Wszystkimi zobrazowaniami możemy zarządzać z poziomu wbudowanego
managera o nazwie Catalog, służącego do gromadzenia, katalogowania i przechowywania danych, który umożliwia tworzenie bogatych archiwów oraz łatwe wyszukiwanie na podstawie różnorodnych kryteriów.
Ponadto mamy do dyspozycji rozbudowany interfejs graficzny tzw. Model
Maker, służący budowaniu skomplikowanych modeli koncepcyjnych, bazujących
na języku SML (Spatial Model Language), pozwalający na projektowanie złożonych
wieloetapowych procesów z wykorzystaniem wielu zobrazowań, poddawanych działaniu najróżniejszych funkcji. Funkcjonalność pakietu uzupełnia wewnętrzny język modelowania programu ERDAS IMAGINE tzw. EML (ERDAS Macro Language).
64
GEOSYGNAŁ Nr 3 / 2005
Jest to najpotężniejsze i najbardziej zaawansowane narzędzie, zapewniające
wykorzystanie wszystkich funkcji pakietu i budowę własnych, najbardziej nawet
skomplikowanych aplikacji wykorzystujących środowisko IMAGINE. Wszystko
to sprawia, że dysponując odpowiednią wiedzą teoretyczną i praktyczną jesteśmy
w stanie tworzyć własne moduły funkcjonalne. Nasz pakiet możemy więc stale rozwijać o nowe elementy, co sprawia że ustawicznie może wzrastać jego funkcjonalność
i operatywność. Ponadto możliwość ingerencji w elementarny kod źródłowy różnorakich procesów stwarza szerokie pole do działań na podłożu badawczym, co jest szczególnie przydatne dla użytkowników wykonujących prace o charakterze naukowym.
Wszystko to czyni ERDAS IMAGINE zintegrowanym, wielofunkcyjnym pakietem pozwalającym na tworzenie, prowadzenie i utrzymywanie rozbudowanego systemu informacji geograficznej opartego przede wszystkim na danych obrazowych
wspomaganych informacją z tematycznych warstw wektorowych.
Największą zaletą zobrazowań cyfrowych jest niewątpliwie ogromne bogactwo
treści przy coraz krótszym czasie ich pozyskiwania i przetwarzania. Ustawiczny rozwój
technologii powinien prowadzić do wykonywania tych procesów w czasie quasirzeczywistym, tak by pożądana informacja mogła jak najszybciej dotrzeć
do użytkownika. Tworzony w polskiej armii Mobilny Zespół Zabezpieczenia Geograficznego, mający wspierać Siły Odpowiedzi NATO będzie musiał sprostać temu wyzwaniu. Dotychczas największym problemem Służby Geograficznej WP były ograniczenia dostępu do danych obrazowych, przede wszystkim satelitarnych. Problem ten
rozwiązać może współpraca i wymiana danych wewnątrz NATO. Ponadto
we wrześniu 2004 r. powstało w Komorowie pod Ostrowią Mazowiecką najnowocześniejsze w Europie Satelitarne Centrum Operacji Regionalnych, uruchomione
w ramach współpracy firmy Techmex S.A. z Agencją Mienia Wojskowego, umożliwiające pozyskiwanie bardzo dokładnych zobrazowań terenu Polski i krajów sąsiednich
bezpośrednio z satelity IKONOS. Powstał jedyny w swoim rodzaju potencjał
do gromadzenia, przetwarzania i udostępniania danych przestrzennych. Po raz pierwszy
w Polsce uzyskano bezpośredni dostęp do satelity umożliwiającego zbieranie wysokorozdzielczych danych obrazowych. Na mocy umowy zawartej pomiędzy Techmex S.A.
a amerykańskim partnerem spółką Space Imaging, dotyczącej transferu technologii
ośrodek posiada możliwość odbioru danych
z różnych źródeł, w tym obrazowych
(satelitarnych, lotniczych, radarowych). W 2004 roku Zarząd Geografii Wojskowej
SG WP zaopatrzył podległe mu jednostki zabezpieczenia geograficznego (WCG,
6 SOG, 19 SOG, 22 WOK) w nowoczesne stacje fotogrametryczne. Jednocześnie zakupiono licencje na pakiety oprogramowania ERDAS IMAGINE Professional
w najnowszej dostępnej obecnie wersji 8.7 wraz z pakietem fotogrametrycznym Leica
Photogrammetry Suite 8.7. W ten sposób Służba Geograficzna WP wkroczyła w nowy
etap perspektywicznej gałęzi pozyskiwania danych geoprzestrzennych, jaką jest
zaawansowane przetwarzanie zobrazowań cyfrowych.
65