4-bit

Cyfrowy zapis cech
radiometrycznych obiektów w
rastrowym modelu danych.
Teledetekcja środowiska
przyrodniczego. Zajęcia II.
Wymagania dotyczące zaliczenia przedmiotu teledetekcja
– wymagania dostosowane do bi-elearningowej formy zajęć
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Terminowe wykonanie i przesłanie (minimum 80%) wszystkich zadań obliczeniowych – zadania oceniane są według
skali od 0 do 100 (%);
Przekroczenie terminu wykonania zadania, referatu, prezentacji oraz tłumaczenia, skutkuje obniżeniem oceny, zbyt
długie przekroczenie terminu (powyżej dwóch miesięcy) powoduje obniżenie punktacji do „0”;
Pozytywne napisanie sprawdzianów zaliczeniowych (według pytań dostępnych na stronie przedmiotu) – ocena
pozytywna od 70% (średnia podejść); sprawdziany odbywają się w formie „uczymy się” (też są istotne i obowiązkowe) i
„na serio”; w przypadku sprawdzianów w formie „uczymy się” stosowane są obniżone kryteria zaliczenia – średnia z
minimum 10 podejść na poziomie 50%);
Sprawdziany odbywają się zdalnie wyznaczonym okresie – niedopuszczalne jest wspólne pisanie sprawdzianów; w
przypadku stwierdzenia takiego faktu stosuje się niezaliczenie takiego podejścia (dotyczy formy „Na serio”).
Przewidywane jest pięć sprawdzianów w semestrze.
Ocenie podlega także państwa aktywność w systemie e-learningowym (mierzona bardzo różnymi miarami, jej ocena
nigdy nie będzie obiektywna, ale jest uwzględniania w ostatecznej ocenie z przedmiotu)
W przypadku obszerniejszych form wypowiedzi, czyli prezentacji, referatów oraz streszczeń – należy je wykonywać
samodzielnie, tzn. wszystkie zdania powinny być autorstwa osoby podającej się za autora;
Wyrywkowo będzie prowadzona kontrola antyplagiatowa. W przypadku stwierdzenia takiego faktu pracę należy
poprawić; terminy nie podlegają w takim przypadku wydłużeniu;
Zajęcia odbywają się co tydzień w laboratorium komputerowym, obecność nie jest wymagana, lecz zalecana;
przynajmniej co drugie ćwiczenia.
Zaplanowanych jest do realizacji 14-15 tematów ćwiczeniowych; w przypadku gdy zajęcia wypadną z powodu dnia
rektorskiego lub dziekańskiego, temat zajęć podlega realizacji samodzielnie w formie zdalnej
Wymagania powyższe stanowią całość i nie nad nimi dyskusji!
Podstawa wg. $19 pkt.1 regulaminu studiów.
Informacje dodatkowe
•
•
W tym roku nie przesyłamy plików RVC w postaci graficznej. W systemie e-learningowym
będzie dokładnie opisane jakie informacje o plikach wynikowych należy przesłać formie
tekstowej.
Komentarze do wyników zapisujemy w pliku nazwiskonr.doc, według wskazówek schematów
zawartych w opisie ćwiczenia.
•
NIE UMIESZCZAĆ SPACJI I POLSKICH ZNAKÓW W NAZWACH PLIKÓW
•
Jeżeli ktoś jest nieobecny na ćwiczeniach to wykonuje ćwiczenie samodzielnie w domu. Opisy do
ćwiczeń dostępne są w Internecie w systemie e-lerningowym lub ewentualnie pod adresem
http://ztg.amu.edu.pl/telgiI.htm lub
INFORMACJE I PYTANIA PILNE PROSZĘ WYSYŁAĆ NA: [email protected] (albo poprzez system elearningowy (mail’e trafią na ten sam adres);
Terminy wykonania ćwiczeń określone są na platformie e-lerningowej, poprzez nią terminy te
będą państwu przypominane.
Zajęcie są prowadzone w częściowo metodami e-learningu z wykorzystaniem platformy Moodle.
Jako studenci trzeciego roku mają już tam państwo założone konta, zaistnieje potrzeba zmiany
haseł.
Adres serwera: https://www.elearning.amu.edu.pl/wngig/
•
•
•
•
1. Definicja rastrowego modelu danych
1. Współrzędne obiektowe (rastrowe),
2. Kodowanie cech w systemie dwójkowym (głębokość piksela, komórki),
3. system dwójkowy, jednostki informacji, odczytywanie liczb w systemie
dwójkowym,
4. optymalizacja zapisu cech.
2. Zapis informacji radiometrycznej w obrazach teledetekcyjnych
1. Fizyczne podstawy teledetekcji (prawo Stefana-Boltzmana, Prawo
Viena, krzywa emisyjna, krzywa spektralna);
2. Wpływ atmosfery na promieniowanie elektromagnetyczne (aerozole,
oskna atmosferyczne, TOA)
3. Przestrzeń względna i przestrzeń spektralna (bezwzględna)
4. Kalibracja sensora teledetekcyjnego
3. Ogólne charakterystyka statystyczna obrazu rastrowego
1. Średnia, moda, mediana, odchylenie standardowe, wariancja,
2. Histogram obrazu rastrowego i jego kształt
4. Oprogramowanie TNTmips – słów parę…
Definicja rastrowego modelu danych
- podstawowy element obrazu cyfrowego to piksel, komórka rastrowa, uważany w
danym momencie za wewnętrznie jednorodny,
- piksele są uporządkowane w numerowane wiersze i kolumny, tworząc macierz,
tablice, itp. (nazwy używane zależnie od podręcznika),
- początek wewnętrznego układu współrzędnych znajduje się najczęściej w lewym
górnym rogu obrazu (współrzędne obiektowe 0,0,Z) – TNTMips, PCI, MapInfo lub w
lewym dolnym (I ćwiartka kartezjańskiego układu współ.) - ArcMap
- dla każdego piksela jego pozycja jest określana względem początku układu, jest mu
także przyporządkowywana wartość lub cecha, która odpowiada np. barwie,
wartości odbitego promieniowania EM czy wysokości n.p.m. itd.
- wartości jakie może przyjąć piksel, są ściśle określone przez tzw. głębokość piksela,
czyli ilość bitów zarezerwowanych w pamięci do zapisania tejże wartości
(kodowanie cechy zapisanej w formacie rastrowym).
- praktyczna realizacja rastrowego modelu danych wyraża się istnieniem wielu
formatów rastrowych (zależnie od oprogramowania, wymogów bezpieczeństwa,
uniwersalności formatu itp.).
Współrzędne obiektowe {x,y,z}
Przykładowe współrzędne w układzie obiektowym
Zapis barw. System dwójkowy.
Każda liczba może być przedstawiona za pomocą sumy odpowiednich
potęg liczby 2. Nie wszystkie kolejne potęgi są muszą być wykorzystywane.
W zapisie dwójkowym „1” oznacza wykorzystanie danej potęgi, „0” - brak
danej potęgi w sumie.
Liczba w układzie
dziesiętnym
Kolejne potęgi liczby 2
+
256 128 64 32 16 8 4 2 1
28 27 26 25 24 23 22 21 20
Liczba w zapisie
dwójkowym
1
0 0 0 1 1 1 1 1
Zapis liczby całkowitej w systemie dwójkowym:
287
http://pl.wikipedia.org/wiki/Dw%C3%B3jkowy_system_liczbowy
UŚMIECHNIJ SIĘ!!!!!!!!!
Ludzie dzielą się na 10 typów: tych, którzy rozumieją system dwójkowy i tych, którzy go nie
rozumieją. Jeśli śmieszy Cię ten żart, to jesteś tzw. „umysłem ścisłym”.
System dwójkowy – system zapisu liczb, którym posługują się prawdziwi hakerzy i ich
organy nabyte, zwane przez laików komputerami. System dwójkowy charakteryzuje się
tym, że jest w nim 101 razy mniej cyfr do spamiętania, niż w dziesiętnym
Dla „tró” informatyka to jest warte 4 zł
Głębokość piksela (kodowanie cech)
Najpowszechniej wykorzystywane kodowania cech w rastrowym modelu danych:
• Binary [binarny] (0,1) 1-bit,
• classification output, dithered print [klasyfikacja, wydruk] (0 to 15) 4-bit,
• unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 255) 8-bit,
• signed integer [całkowity ze znakiem] (-128 to 127) 8-bit,
• composite color [złożony kolor, tabela kolorów] (0 to 255, requires color map) 8-bit,
• unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 65,535) 16-bit,
• signed integer [całkowity ze znakiem] (-32,768 to 32,767) 16-bit,
• composite color [złożony kolor] (RGB or BGR packed) 16-bit (barwy rzeczywiste),
• composite color [złożony kolor] (RGB or BGR packed) 24-bit (barwy rzeczywiste),
• composite color [złożony kolor] (RGB or BGR packed) 48-bit (barwy rzeczywiste),
• unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 4,294,967,295) 32-bit,
• signed integer [całkowity ze znakiem] (-2,147,483,648 to 2,147,483,647) 32-bit,
• floating point [rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 32-bit,
• floating point [rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 64-bit,
• complex number [liczby zespolone] (magnitude/phase) 64-bit,
• complex number [liczby zespolone] (real/imaginary pair) 64-bit,
• complex number [liczby zespolone] (magnitude/phase) 128-bit,
• complex number [liczby zespolone] (real/imaginary pair) 128-bit.
Więcej o kodowaniu liczb całkowitych na:
http://www.randelshofer.ch/fhw/gri/float.htm
Jaka powinna być głębokość piksela, czyli zakres wartości pikseli w
zależności od cechy zapisanej w rastrze
-
-
zapis zmienności wysokości topograficznej w skali kontynentu
signed integer
[całkowity ze znakiem] (-32,768 to 32,767) 16-bit
zapis wysokości topograficznej dla mapy topograficznej 1:10000 (cięcie ćwiartkowe
1,25m) floating point [rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 32-bit
zapis wyników obrazu funkcji trendu powierzchniowego zjawiska floating point
[rzeczywisty zmienno-przecinkowy] 32-bit
zapis 17 kategorii użytkowania ziemi kodowanych liczbami całkowitymi dodatnimi,
unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to 255) 8-bit
zapis obrazu w barwach rzeczywistych, composite color [złożony kolor] (RGB or
BGR packed) 16-bit
zapis wystawy stoku w stopniach, unsigned integer [całkowity dodatni] (0 to
65,535) 16-bit
zapis mapy topograficznej czterobarwnej, classification output, dithered print
[klasyfikacja, wydruk] (0 to 15) 4-bit
zapis mapy topograficznej dwubrawnej, binary [binarny] (0,1) 1-bit
Jednostki zapisu informacji w postaci cyfrowej.
Podstawową jednostką zapisu informacji jest bit (jedno miejsce w układzie
dwójkowym). Bit przyjmuje wartości „1” albo „0”. Rozmiar plików (rastrowych)
podaje się w bajtach. Każdy bajt zawiera osiem bitów (miejsc).
Zapisując barwę zdjęcia należy zarezerwować odpowiednią ilość pamięci, w taki
sposób, aby każdy piksel mógł przyjąć dowolną barwę z wybranej palety.
Zapisując obraz czarno-biały (0,1) wystarczy wziąć tylko jeden bit na każdy piksel,
aby wiernie odtworzyć przestrzeń barwną.
Wzrost wielkości pliku przy powiększaniu palety
barwnej
Obliczanie wielkości pliku
gdzie
N - ilość wierszy,
M - ilość kolumn,
d - głębokość piksela w bitach
Wielkość pliku w Mb
R = N x M x (d/8),
14
12
10
8
6
4
2
0
0
5
10
15
20
Ilość bitów barwy na piksel
25
30
Histogram obrazu rastrowego
Histogram jest wykresem przedstawiającym częstość występowania pikseli
o danej jaskrawości.
Raster
Histogram
1
3
1
0
1
15
2
2
2
3
3
4
12
3
1
1
4
0
2
0
0
3
1
3
4
4
1
3
3
3
3
1
3
2
3
5
0
Częstosć
1
Krzywa histogramu
9
6
3
0
0
1
2
3
4
5
Jasność
2014-03-13 00:40
Rozciąganie historamu
13
Charakterystyka statystyczna histogramu
Do podstawowych statystyk obliczanych dla histogramu zaliczane są:
- średnia, obliczana jako suma wszystkich występujących jasności podzielona
przez liczbę pikseli,
- mediana, wartość środkowa spośród występujących jasności,
- moda, jasność reprezentowana przez największą liczbę pikseli,
- odchylenie standardowe.
Rozkład jasności na histogramie określamy następująco:
(a) zbliżony do rozkładu normalnego,
(b) wielomodalny
(c) ujemnie skośny,
(d) dodatnio skośny,
(e) jednolity.
2014-03-13 00:40
Rozciąganie historamu
14
moda
ś re d n ia
m e d ia n a
moda
ś re d n ia
m e d ia n a
m e d ia n a
ś re d n ia
ś re d n ia
m e d ia n a
R o zkła d sko śn y d o d a tn i
R o zkła d sko śn y u je m n y
R o zkła d n o rm a ln y (G a u ss o w sk i)
moda
moda
moda
ś re d n ia
m e d ia n a
R o z k ła d w ie lo m o d a ln y
2014-03-13 00:40
R o zkła d je d n o sta jn y
Rozciąganie historamu
15
Przemiany promieniowania
elektromagnetycznego w atmosferze
http://www.u.arizona.edu/ic/nats1011
/lectures/ch02/FIG02_023.JPG
Kalibracja radiometryczna obrazów teledetekcyjnych
(czyli pryncypia teledetekcji w dużym skrócie)
•
•
•
•
•
•
Każde ciało jest źródłem promieniowania elektromagnetycznego; ilość emitowanej energii zależy od temperatury ciała, im
wyższa tym większy zakres spektralny emitowanej energii – prawo Stefana-Boltzmana; długość fali odpowiadająca maksimum
emisji przesuwa się w kierunku fal krótszych wraz ze wzrostem temperatury – prawo Viena; wykresem charakteryzującym
emisję energii w zależności od długości fali jest krzywa emisyjna.
Promieniowanie słoneczne (najpowszechniej wykorzystywane w teledetekcji) ulega znaczącym przemianom podczas
przechodzenia przez atmosferę ziemską, w niektórych zakresach ulega niemal całkowitemu pochłonięciu; zakresy spektralne,
w ramach których niemal całe promieniowanie dociera do powierzchni Ziemi nazywamy oknami atmosferycznymi; pochłanianie
promieniowania związane jest z koncentracją aerozoli w powietrzu (pył, para wodna, CO2, gazy szlachetne, ozon, tlen);
Odbicie promieniowania od obiektu na powierzchni Ziemi charakteryzowane jest przez krzywą spektralną (odbicie względem
długości fali).
Wielkość energii docierająca do sensora obrazowego jest mierzona i zapisywana w ramach pojedynczego piksela jako DN –
liczba, digital number; do zapisu w zależności do czułości sensora używa się kodowań 8- lub 16-bitowych (rozdzielczość
radiometryczna może być inna 8, 10, 12, 14 bądź nawet 16-bitowa); nie stosuje się kodowań opartych na liczbach
rzeczywistych dla których należałoby stosować zapis 32-bitowy lub wyższy;
Dla obrazów wielospektralnych stosuje przeważnie się taki sam rodzaj kodowania we wszystkich kanałach spektralnych;
wszystkie razem kanały spektralne, zapisane we względnym kodowaniu, nazywamy przestrzenią względną; analiza obrazów
teledetekcyjnych, z wykorzystaniem wartości DN nie jest wykonywana w rzestrzeni spektralnej !!!
Kalibracja radiometryczna w najprostszej postaci polega na przeliczeniu wartości względnych DN na wartości fizyczne
(jednostkach fizycznych, najczęściej w W/m2, … w jednostce kąta bryłowego, czyli w steradianach); w wyniku takiej operacji,
dokonanej dla wszystkich kanałów spektralnych, przekształcamy przestrzeń względną na przestrzeń spektralną na poziomie
górnej granicy wpływu atmosfery na promieniowanie elektromagnetyczne – w skrócie TOA (top of the atmosphere); w praktyce
przyjmuje się, że powyżej 100 km wpływ atmosfery na promieniowanie ustaje (większość platform satelitarnych porusza się
zdecydowanie powyżej tej wysokości);
Prawo Stefana-Boltzmana
• Ilość całkowitej emitowanej energii E przez ciało doskonale czarne jest
proporcjonalna do temperatury ciała w czwartej potędze (razy stała
Stefana-Boltzmana=5,67 Wm-2K-4). Kierunek emitowanej energii jest
prostopadły do powierzchni ciała.
E  T
4
Prawo Wien’a
Maksimum promieniowania emitowanego przez dane ciało w danej temperaturze
T występuje dla długości fali zgodnie ze wzorem:
 max 
2893
T
 max 
2 , 9  10
3
T
Dla Słońca, na powierzchni którego panuje temperatura około 6000 K,
maksymalne emisja występuje dla długości fali 0,5 mm (lub 0,48 zgodnie ze
wzorem po prawej stronie).
Ogólny związek pomiędzy SR a DN w
sensorach cyfrowych
• • SRsensor(lin,col) jest SR docierającą każdego piksela sensora
• • (lin,col) oznaczają pozycję piksela na obrazie,
• • DN(lin,col) jest względną jasnością piksela, kodowaną w skali 8-bitowej
lub 16-bitowej,
• • DNb jest wartością bazową i odpowiada SRsensor = 0 (DNb, najczęściej
równa się zero),
• • k jest współczynnikiem konwersji,
• • ebw jest szerokością efektywną zakresu spektralnego.
(k i ebw różnią się wartościami pomiędzy kanałami)
Względne wyrażenie odbitego promieniowania EM
8-bitowa skala, wykorzystywana w większości sensorów
teledetekcyjnych, oznacza inny zakres zmienności energetycznej w
każdym zakresie spektralnym. Najwyższe wartości rejestrowanej energii
odbitej od powierzchni Ziemi występują w zakresach widzialnych;
energię w tych zakresach można rejestrować za pomocą mniejszych
elementów CCD, stąd kanały widzialne, panchromatyczne,
charakteryzują się wyższą rozdzielczością przestrzenną.
Angielskie terminy low gain, normal gain, high gain należy rozumieć
podobnie
jak
w
fotografii
klasycznej:
niskokontrastowy,
normalnokontrastowy i wysokokontrastowy. Dobór czułości urządzenia
teledetekycjnego może być sterowany ze stacji naziemnych zależnie od
warunków pogodowych. Informacje o bieżącej czułości urządzenia
zawarte są w metadanych dostarczanymi z obrazami. Istnieją sensory
dla których czułość jest zmieniana dynamicznie, czyli każdy obraz
posiada indywidualne dane o „gainach”  dostępne w metadanych.
255
255
255
255
255
0
http://www.trfic.msu.edu/data_portal/Landsat7doc/landsatch6.html
Ustawienia czułości sensora zależały od pory roku (kąt padania promieni słonecznych) dominującej kategorii
użytkowania (szerokość geograficzna). Wśród kategorii użytkowania wyróżniono: wody, śnieg, pustynie (piasek),
obszary lądowe (ale nie śnieg, i lód), wulkany/ noc. Powyżej rozkład przestrzenny obszar rejestrowanych przy
określonej czułości (gain). Ustawienia czułości dotyczą indywidualnie każdego z kanałów spektralnych (jednakowe
ustawienia są dla kanałów widzialnych).
Maksymalna radiancja dla sensora ASTER
Różnice w wartości maksymalnej rejestrowanej
radiancji pomiędzy Landsat’em serii TM i ASTER’em
wynikają z innej techniki rejestracji obrazu i obszaru
pozyskiwanej sceny, mimo że oba sensory umieszczone są
na tej samej orbicie o wysokości 705 km. ASTER rejestruje
obszar około 74 x 63 km, Landsat natomiast 185 x 185 km.
ASTER wykorzystuje do rejestracji macierze CCD,
natomiast Landsat rejestruje obraz w technice
„pushbrum” - ruchome lusterko, i ma na rejestracje
pojedynczego piksela mniej czasu niż ASTER. Różnice są
również w efektywnej szerokości zakresu spektralnego.
Kodowanie zmierzonej radiancji
odbywa się
najczęściej w skali 8-bitowej bez znaku (0-255) lub 16bitowej (0-65535); Kodowanie bezpośrednie za pomocą
liczb rzeczywistych (32-bitowe kodowanie) nie jest
możliwe ze względu na ograniczenia technologiczne; np.
na obecnym etapie komputery pokładowe satelitów są
wyposażone w procesory klasy 486, lub Pentium 1.
Oprogramowanie TNTmips
•
•
•
•
•
•
•
•
System informatyczny przeznaczony do przetwarzania i zarządzania wszystkimi rodzajami
danych przestrzennych (wektor, CAD, raster, TIN , bazy danych),
Wszystkie ćwiczenia praktyczne z przetwarzania danych teledetekcyjnych będą
przygotowane i wykonywane za pomocą tego systemu,
Producentem systemu jest firma MicroImages, Inc. z Nebraski, USA – oprogramowanie
jest rozwijane od 25 lat (dla porównania ArcInfo od ponad 30),
System posiada własny format zapisu danych. Pliki posiadają rozszerzenie .rvc. Obiekty
danych przestrzennych w różnych modelach (rastrowym, wektorowym) są zapisywane
wewnątrz pliku RVC (Raster – Vector – CAD). Wewnątrz pliku można stworzyć strukturę
danych w postaci katalogów, obiektów i podobiektów. Podobiekty to najczęściej dane
towarzyszące obiektom (np. tabele kontrastu towarzyszom obiektom rastrowym, także
obiekty rastrowe zawierają tabele tekstowe z punktami kontrolnymi definiującymi układ
współrzędnych).
System jest pisany w języku C++, wykorzystuje okienka systemowe lub oparte na
XWindows-ach (środowisko Motif z UNIX’a)
Program uruchamiany jest poprzez wybranie z systemowego menu START/PROGRAMY /
GIS / MICROIMAGES / TNTproducts2009
Oprogramowanie posiada „lżejsze wersje” TNTedit - edycja danych przestrzennych,
TNTview – zaawansowane przeglądanie danych przestrzennych, TNTAtlas – prosta
przeglądarka danych,
Z punktu widzenia funkcjonalności oprogramowania występują trzy wersje; TNTFree,
TNTBasic i TNTPro.
ASTER i Landsat porównanie zakresów
spektralnych poszczególnych kanałów
15 m
90 m
30 m
30 m
60 m
Zadanie 3
Ściągnąć ze strony dane satelitarne ASTER i Landsat TM5.
Dokonać wizualizacji wszystkich kanałów spektralnych w TNTmips
(Main/Display). Dla każdego kanału spektralnego wyznaczyć parametry
statystyczne na podstawie jego histogramu. Wyniki zapisać w pliku
tekstowym (Word) w formie tabelarycznej, nazywając go własnym
nazwiskiem dodając numer ćwiczenia nr dwa. W tabeli zapisać dla każdego
kanału średnią, minimalną i maksymalną jasność oraz odchylenie od wartości
średniej. Na podstawie dokonanego zestawienia podać pod tabelą
najważniejsze wnioski: który z kanałów z Landsat’a czy ASTER’a
charakteryzuje się najmniejszym a który największym zróżnicowaniem
odbicia promieniowania elektromagnetycznego.
Na podstawie wzoru i informacji kalibracyjnych przedstawionych na
poprzednich slajdach dokonać obliczenia średniej radiancji. Parametr ‘ebv’
określić na podstawie szerokości zakresów spektralnych – odszukać w
Internecie, np. na stronie:
http://landsat.usgs.gov/about_landsat5.php
Należy wybrać sobie określoną czułość sensora (low, normal albo high
gain), ustalić równanie liniowe zależności pomiędzy radiancją a DN (digital
number). Przy wykonywaniu tego etapu ćwiczenia warto pamiętać o:
1) Współczynniki równania liniowego ustalić na podstawie układu równać
wykorzystując znane wartości (Dnmin=MinLowGain i DnMax=MaxLowGain);
patrz obrazek u dołu slajdu.
2) W przypadku ASTER-a kanały 10-14 mają kodowanie 16-bitowe!!!!!!
Otwarcie obrazów i wizualizację histogramów pokazuje filmik cw2.swf.