2.7.4 Πως οι εικόνες καταγράφονται στο γεωγραφικό χώρο

Transcript

1 2.7.3 Γεωαναφορά raster αρχείου Τα φηφιδωτά (raster) δεδοµένα προέρχονται κυρίως από σαρωµένους χάρτες, αεροφωτογραφίες και δορυφορικές εικόνες. Οι σαρωµένοι χάρτες δεν περιέχουν καµία πληροφορία συντεταγµένων, παρά µόνο αριθµό και µέγεθος των φατνίων στους δύο άξονες. Οι δορυφορικές εικόνες και οι αεροφωτογραφίες συνοδεύονται από κάποιες πληροφορίες τοποθεσίας, η οποία συνήθως δεν είναι ακριβής για να κάνετε κάποια ανάλυση ή να εµφανίσετε µε ακρίβεια τις εικόνες αυτές µε τα άλλα ψηφιακά δεδοµένα. Έτσι σε όλες συνήθως τις περιπτώσεις θα πρέπει να κάνετε γεωαναφορά στα raster δεδοµένα, για να ορίσετε πως τα δεδοµένα σας εφαρµόζονται σε συντεταγµένες χάρτη, εκτός και αν κάποιος άλλος την έχει κάνει πριν από εσάς για σας. Με άλλα λόγια η γεωαναφορά, δίδει συντεταγµένες στην εικόνα σας, που αντιστοιχούν σε µία συγκεκριµένη περιοχή του πραγµατικού κόσµου Πως οι εικόνες καταγράφονται στο γεωγραφικό χώρο Τα διανυσµατικά δεδοµένα όπως shape αρχεία ή ARC/INFO coverages, αποθηκεύονται στο καρτεσιανό σύστηµα συντεταγµένων, µε την αρχή των αξόνων στο κάτω αριστερό σηµείο. Αντίθετα οι εικόνες αποθηκεύονται σε σειρές και στήλες, µε την αρχή της εικόνας στο πάνω αριστερό σηµείο Όταν προσθέσετε µία εικόνα, το ArcMap µετατρέπει τις συντεταγµένες της εικόνας σε συντεταγµένες Χ,Υ του πραγµατικού κόσµου. Για να κάνει αυτή την µετατροπή το ArcMap, κοιτάζει για κατάλληλη πληροφορία αναφοράς συντεταγµένων µέσα στην εικόνα. Μερικές εικόνες ERDAS IMAGINE, BSQ, BIL, BIP, GeoTIFF και GRIDS, περιέχουν την πληροφορία για τις

2 συντεταγµένες στην αρχική εγγραφή (header) του αρχείου. Το ArcMap χρησιµοποιεί την πληροφορία αυτή και διορθώνει γεωµετρικά την εικόνα, έτσι ώστε να δείχνει πραγµατικές συντεταγµένες κόσµου. Σε άλλες εικόνες η πληροφορία για τις συντεταγµένες βρίσκεται σε ένα ξεχωριστό ASCII αρχείο το οποίο είναι γνωστό σαν αρχείο κόσµου (World File). Για παράδειγµα ένα TIFF αρχείο θα πρέπει να συνοδεύεται από ένα ASCII αρχείο µε επέκταση ονόµατος TFW και το οποίο περιέχει τις κατάλληλες πληροφορίες έτσι ώστε η εικόνα σας να εµφανίζεται µε συντεταγµένες κόσµου. Εάν δεν υπάρχει αυτό το αρχείο θα πρέπει να το δηµιουργήσετε µε ένα διορθωτή κειµένου για παράδειγµα το notepad(προσοχή όχι Word). Θα πρέπει όµως να γνωρίζετε το µέγεθος του κελιού (pixel) της εικόνας σε µέτρα, καθώς και τις συντεταγµένες του κέντρου του πάνω αριστερά pixel της εικόνας σας. Η γραµµογράφηση του αρχείου αυτού είναι όπως παρακάτω 0.50 Το µέγεθος του pixel στον άξονα των Χ(Συνήθως σε µέτρα) 0.0 Στροφή για την γραµµή 0.0 Στροφή για την κολώνα Το µέγεθος του pixel στον άξονα των Υ(Συνήθως σε µέτρα) Η συντεταγµένη Χ του κέντρου του πάνω αριστερά pixel Η συντεταγµένη Υ του κέντρου του πάνω αριστερά pixel Γενικά η γεωαναφορά του raster αρχείου γίνεται µε την αναγνώριση πάνω στην φωτογραφία ορισµένων σηµείων, που είτε γνωρίζουµε τις συντεταγµένες τους, είτε µπορούµε να τα αναγνωρίσουµε πάνω σε ένα έτοιµο coverage ή shape αρχείο που διαθέτουν ήδη συντεταγµένες. Τα χαρακτηριστικά αυτά σηµεία είναι συνήθως τοµές δρόµων, ποταµιών, χαρακτηριστικά σηµεία ακτογραµµής, ή κατόψεις κτιρίων κλπ Τα χαρακτηριστικά σηµεία καλούνται και σηµεία επιγείου ελέγχου(ground control points GCP s) και στην ουσία συνδέουν σηµεία του raster, µε σηµεία γνωστών συντεταγµένων. Ανάλογα µε την µέθοδο που θα χρησιµοποιήσετε για τον µετασχηµατισµό του raster θα είναι και ο αριθµός των σηµείων επιγείου ελέγχου που θα χρησιµοποιήσετε. Πόσα όµως τέτοια σηµεία θα πρέπει να παίρνουµε; Συνήθως µε τέσσερα σηµεία στα άκρα του raster και ένα µε δύο σηµεία στο εσωτερικό παίρνουµε τα καλλίτερα αποτελέσµατα. Μεγαλύτερος αριθµός σηµείων ελέγχου, πάνω από 6 δεν σηµαίνει υποχρεωτικά ότι θα κάνουµε καλύτερη γεωαναφορά Αφού έχετε πάρει αρκετά σηµεία ελέγχου, θα πρέπει να µετασχηµατίσετε τη raster εικόνα σας σε συντεταγµένες χάρτη. Η διαδικασία αυτή χρησιµοποιεί ένα µαθηµατικό µετασχηµατισµό, που έχει σαν βάσει ένα πολυώνυµο, έτσι ώστε να δώσει συντεταγµένες σε κάθε pixel της εικόνας. Με πρώτη τάξης πολυώνυµα (αφινικός µετασχηµατισµός) µπορείτε να κάνετε µετακίνηση, αλλαγή κλίµακας και στροφή της εικόνας σας. Ο αφινικός µετασχηµατισµός συνήθως καλύπτει τις περισσότερες των περιπτώσεων που θα συναντήσετε. Με ελάχιστο αριθµό των τριών σηµείων ελέγχου µπορείτε να µετασχηµατίσετε την εικόνα σας. Με παραπάνω σηµεία ελέγχου υπολογίζονται σφάλµατα, τα γνωστά residuals, τα οποία κατανέµονται σε όλη την εικόνα. Στην πράξη θα πρέπει να χρησιµοποιείτε 4 µε 6 σηµεία. Σε περισσότερες δύσκολες καταστάσεις όπου υπάρχει σηµαντική παραµόρφωση του αρχικού raster θα πρέπει να χρησιµοποιήσετε µετασχηµατισµό µε πολυώνυµα

3 δεύτερου, ή το πολύ, τρίτου βαθµού. Αυτό σηµαίνει περισσότερα σηµεία ελέγχου (9-15) και πολύ περισσότερο χρόνο υπολογισµού. Όσο µεγαλύτερος είναι ο βαθµός του πολυωνύµου που χρησιµοποιείται, τόσο περισσότερο επιτρέπουµε την τοπική προσαρµογή της εικόνας. Αυτό σηµαίνει, από την άλλη µεριά, ότι τόσο πιο επιρρεπές είναι το αποτέλεσµα σε περίπτωση σφάλµατος (που µπορεί να προέλθει από, π.χ., λάθος αναγνώρισης του σηµείου ελέγχου). Για τον λόγο αυτόν τα πολυώνυµα δευτέρου, και περισσότερο, τρίτου βαθµού, θα πρέπει να χρησιµοποιούνται µε εξαιρετική προσοχή και µε σχολαστικό έλεγχο του αποτελέσµατος. Η ακρίβεια του µετασχηµατισµού µπορεί να µετρηθεί µαθηµατικά µε σύγκριση των συντεταγµένων των πραγµατικών τοποθεσιών µε τις συντεταγµένες των µετασχηµατισµένων τοποθεσιών της εικόνας σας. Η απόσταση µεταξύ των δύο σηµείων είναι γνωστή σαν εναποµένον σφάλµα (residual error). Ο δείκτης του συνολικού σφάλµατος λάθος υπολογίζεται από την τετραγωνική ρίζα του µέσου αθροίσµατος των διαφορών των πραγµατικών θέσεων των γνωστών σηµείων, από τις θέσεις που έχουν µετά την αναγωγή. Ο δείκτης αυτός είναι γνωστός σαν RMS - Root Mean Square. Η τιµή αυτή περιγράφει πόσο σωστός είναι ο µετασχηµατισµός µεταξύ των διαφορετικών σηµείων ελέγχου. Παρόλο που το µέσο τετραγωνικό σφάλµα είναι µία καλή ένδειξη της ακρίβειας του µετασχηµατισµού, να µην έχετε εµπιστοσύνη ότι ένα µικρό RMS συνεπάγεται και ακρίβεια στον µετασχηµατισµό σας. Μπορεί ο µετασχηµατισµός σας να περιέχει σηµαντικά λάθη, λόγω του ότι έχετε δώσει ένα φτωχό σε σηµαντικότητα σηµείο ελέγχου. Θα πρέπει λοιπόν αφού έχετε τελειώσει το µετασχηµατισµό της εικόνας, να ελέγχετε στην µετασχηµατισµένη εικόνα αρκετά σηµεία διάσπαρτα σε αυτήν και των οποίων γνωρίζετε τις συντεταγµένες. Σε ένα σαρωµένο χάρτη να ελέγχετε τα σηµεία των κανάβων. Ενώ γίνεται η διαδικασία του µετασχηµατισµού, εσείς έχετε την εντύπωση ότι κάθε κελί της εικόνας σας µετασχηµατίζεται στην νέα του θέση στον χάρτη. Στην πραγµατικότητα κατά την διάρκεια της γεωαναφοράς δηµιουργείται ένας πίνακας άδειων κελιών και µετά κάθε κελί παίρνει µία τιµή µε µία διαδικασία η οποία καλείται επαναδειγµατοληψία (resampling). Οι κυριότερες τεχνικές resampling είναι τρεις Nearest neighbor bilinear interpolation cubic convolution Συνήθως χρησιµοποιούµε την πρώτη µέθοδο του εγγύτερου γείτονα, η οποία είναι η ταχύτερη και δίνει σαν τιµή του άδειου κελιού, την τιµή του κελιού που είναι πιο κοντά του. Το αποτέλεσµα της γεωαναφοράς γράφεται σε ένα ξεχωριστό αρχείο µε ίδιο όνοµα µε αυτό της εικόνας και επέκταση ονόµατος.aux. To ArcMap διαβάζει το αρχείο αυτό και εµφανίζει την εικόνα σας µαζί µε τα άλλα σας δεδοµένα. Αφού έχετε δώσει γεωαναφορά στην εικόνα σας, έχετε την δυνατότητα να τη διορθώσετε γεωµετρικά παράγοντας µία νέα εικόνα σε µορφή tiff, ESRI grid, Erdas Imagine, έτσι ώστε να την χρησιµοποιήσετε και µε άλλα λογισµικά τα οποία δεν αναγνωρίζουν την µορφή.aux που χρησιµοποιεί το ArcMap.

4 2.7.5 Γεωαναφορά raster αρχείου (Askisi2_2) Με την άσκηση αυτή θα µάθουµε πως θα δίνουµε γεωαναφορά σε raster δεδοµένα και συγκεκριµένα στην εικόνα natura.tif. Εν συνεχεία θα ψηφιοποιήσουµε από την οθόνη µας τα όρια του natura και θα παράγουµε ένα πολυγωνικό shape αρχείο. Παράλληλα θα αναφερθούµε για την ψηφιοποίηση γενικότερα. Σιγουρευτείτε ότι έχετε φορτώσει στο ArcMap την εικόνα natura.tif. Κάντε δεξί κλικ στη γκρίζα περιοχή των εικονιδίων Επιλέξτε από το µενού που σας εµφανίζεται το Georeferencing και θα δείτε να εµφανίζονται τα εργαλεία γεωαναφοράς. Τοποθετήστε τα δίπλα στα άλλα εργαλεία. Φορτώστε στον χάρτη σας το πολύγωνο της ακτογραµµής coast_m. Θα παρατηρήσετε, ότι παρόλο που έχετε προσθέσει την ακτογραµµή και είναι τσεκαρισµένη, δεν την βλέπετε στην οθόνη σας. Κάντε κλικ στο εργαλείο για να ζουµάρετε σε όλη την περιοχή. Θα δείτε µόνο µια µικρή κουκίδα στο χάρτη. Αυτό συµβαίνει γιατί ενώ οι συντεταγµένες της ακτογραµµής είναι σε ΕΓΣΑ 87 µε συντεταγµένες Χ γύρω στα και Υ γύρω στα , οι συντεταγµένες της εικόνας µας σε µέτρα είναι Χ από 0-30 και Υ= 0-30 µέτρα. Για να το διαπιστώσετε αυτό δεν έχετε παρά να κάνετε δεξί κλικ πάνω στο όνοµα κάθε επιπέδου και να διαλέξετε zoom to layer. Κάντε το και στα δύο επίπεδα. Κάθε φορά παρόλο που είναι ενεργά στον πίνακα περιεχοµένων και τα δύο επίπεδα θα εµφανίζεται κάθε επίπεδο µόνο του. Κάντε ζουµ στο επίπεδο της ακτογραµµής. Θα βλέπετε µόνο την ακτογραµµή, ενώ η εικόνα δεν εµφανίζεται Κάντε κλικ πάνω στο µενού του georeference και επιλέξτε Fit To Display Αµέσως θα δείτε ότι η εικόνα σας µετατοπίζεται και εµφανίζεται στην ίδια περιοχή µε τα δεδοµένα σας, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

5 . Τώρα θα πρέπει να διαλέγουµε τα σηµεία ελέγχου πάνω στην δορυφορική και να δείχνουµε τα αντίστοιχα σηµεία τους πάνω στο επίπεδο της ακτογραµµής. Επειδή η δορυφορική που έχουµε είναι χαµηλής ανάλυσης και έχει προκύψει από επαναδειγµατοληψία, δεν θα είµαστε και τόσο ακριβείς στην γεωαναφορά µας, αλλά αυτό δεν πειράζει αφού στόχος µας είναι να ψηφιοποιήσουµε τα όρια του natura και δεν µας πειράζει αν έχουµε διαφορές της τάξης των 50 µέτρων. Θα προσπαθήσουµε να πάρουµε 4 σηµεία στα άκρα και δύο ενδιάµεσα Κάντε ζουµ βορειοδυτικά του νησιού όπως σας δείχνει η εικόνα Πηγαίνετε πάνω στην κλίµακα και πληκτρολογήστε Κάντε κλικ στο εικονίδιο προσθήκης σηµείων ελέγχου που βρίσκεται στα εργαλεία του georeference. Πηγαίνετε πάνω στην εικόνα και κάντε κλικ στο σηµείο που σας δείχνει η διπλανή εικόνα. Εµφανίζεται τότε µία γραµµή µέχρι να κάνουµε κλικ στο αντίστοιχο σηµείο πάνω στο διανυσµατικό επίπεδο της ακτογραµµής. Εάν βέβαια γνωρίζαµε τις συντεταγµένες του σηµείου αυτού, δεν ήταν ανάγκη να το δείχναµε, αλλά µε δεξί κλικ µπορούσαµε να επιλέξουµε να δώσουµε τις συντεταγµένες του. Όπως βλέπετε και στη διπλανή οθόνη µε το πρώτο κιόλας σηµείο γίνεται µία σοβαρή διόρθωση της εικόνας. Κάντε κλικ τώρα στο εργαλείο έτσι ώστε να ζουµάρετε σε όλη την περιοχή µελέτης. Κατά τον ίδιο τρόπο εισάγετε και τα άλλα σηµεία ελέγχου όπως φαίνονται στις παρακάτω εικόνες. Επειδή από εδώ και πέρα το πολύγωνο της ακτογραµµής θα µας δυσκολεύει να βρίσκουµε σηµεία, γιατί καλύπτει την δορυφορική, θα το κάνουµε εντελώς διαφανές µε κόκκινο περίγραµµα. Κάντε διπλό κλικ πάνω στον πίνακα περιεχοµένων και συγκεκριµένα πάνω στο σύµβολο της ακτογραµµής. Εµφανίζεται τότε η οθόνη επιλογής συµβόλου και επιλέξτε σαν παράµετρο του Fill

6 color το No color και σαν παράµετρο του Outline Color το κόκκινο και κάντε κλικ στο ΟΚ Εισάγετε τώρα τα σηµεία ελέγχου στις περιοχές Οι ενέργειες που θα κάνετε περιληπτικά είναι. Ζουµ στη περιοχή για κάθε τετράγωνο της παραπάνω οθόνης. Αλλαγή της κλίµακας στα Επιλογή του εργαλείου προσθήκης σηµείου ελέγχου. Προσθήκη σηµείου ελέγχου πρώτα στην εικόνα και µετά στο επίπεδο της ακτογραµµής. Μετά από το τρίτο σηµείο θα δείτε ότι οι διαφορές θα είναι πλέον ελάχιστες. Εάν κατά την διαδικασία εισαγωγής ενός σηµείου ελέγχου, ανακαλύψετε ότι έχετε κάνει λάθος, µπορείτε να σταµατήσετε την διαδικασία πατώντας το πλήκτρο Esc. Εάν παρόλα αυτά εισάγετε ένα λάθος σηµείο και εµφανιστούν αποτελέσµατα όχι ευχάριστα, τότε µπορείτε να το σβήσετε από τον πίνακα ελέγχου σηµείων. Αφού δώστε όλα τα σηµεία, πατήστε το εργαλείο εµφάνισης των σηµείων ελέγχου. Εµφανίζεται τότε ένας πίνακας της µορφής

7 Βέβαια ο δικός σας πίνακας θα διαφέρει ως προς τις τιµές και βέβαια ως προς το συνολικό µέσο τετραγωνικό σφάλµα. Εάν σβήσετε κάποιο σηµείο θα παρατηρήσετε ότι το µέσο τετραγωνικό σφάλµα αλλάζει. Εάν στον δικό σας πίνακα έχετε βγάλει ένα RMS γύρω στα 30 να το κάνετε αποδεκτό. Βέβαια για εφαρµογές µε κλίµακα 1:50000 είναι αποδεκτό ένα RMS γύρω στα 15 µε 20 µέτρα. Επειδή όµως είναι η πρώτη µας φορά και επειδή και η εικόνα µας δεν ήταν τόσο καθαρή, προχωράµε την εργασία µας. Κάντε κλικ στο ΟΚ και µετά επιλέξτε Update Georeference από το µενού Georeference. Εάν θα πάτε τώρα µε τον explorer των windows στον κατάλογο Indata θα διαπιστώσετε ότι έχει δηµιουργηθεί το αρχείο πραγµατικού κόσµου natura.tfw. Τώρα υπάρχουν δύο τρόποι αντιµετώπισης. Η προχωράτε απευθείας στην ψηφιοποίηση του πολυγώνου του Natura, ή πρώτα σώζετε µόνιµα την εικόνα σας σε µορφή grid, tiff, Erdas Imagine εκτελώντας την διαδικασία Rectify πάλι από το georefernce µενού. Εδώ θα πρέπει να δώσετε και τον αλγόριθµο της επαναδειγµατοληψίας, καθώς και το µέγεθος σε µέτρα, του pixel της νέας εικόνας που θα δηµιουργηθεί. Μπορείτε να το δοκιµάσετε εάν το επιθυµείτε.