Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Μηχανικών Χωροταξίας Πολεοδομίας και Περιφερειακής Ανάπτυξης ΘΕΜΑΤΙΚΗ : ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Ιωάννης Φαρασλής Τηλ : 24210-74466, Πεδίον Άρεως, Βόλος http://www.prd.uth.gr/el/staff/i_faraslis Email : Faraslis@uth.gr
ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ Βασικά βήματα I. Προεπεξεργασία της εικόνας II. Ενίσχυση (βελτίωση) της εικόνας III. Ταξινόμηση της εικόνας Εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών & λήψη αποφάσεων ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 2
Ι. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Διόρθωση σφαλμάτων στα δεδομένα της εικόνας με συνέπεια την ποιοτική βελτίωσή της ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 3
ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Πλήρωση χαμένων γραμμών ή pixels Ραδιομετρική προεπεξεργασία Διόρθωση της παραμόρφωσης (των επιδράσεων στη γεωμετρία της εικόνας) Λάθη που δεν διορθώνονται ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 4
ΠΛΗΡΩΣΗ ΧΑΜΕΝΩΝ ΓΡΑΜΜΩΝ - PIXELS Παρεμβολές και σφάλματα του καταγραφικού συστήματος κατά τη λήψη ή εκπομπή της εικόνας : Mέθοδοι αντικατάστασης των χαμένων pixels ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 5
ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Διορθώσεις λόγω: Σφαλμάτων του συστήματος καταγραφής Επιδράσεων της ατμόσφαιρας (διάχυση, απορρόφηση) Επαναπροσδιορίζονται οι τιμές φωτεινότητας (λαμπρότητας) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 6
ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Μεταβολές στη γεωμετρία (παραμόρφωση) της εικόνας εξαιτίας : Μεταβολή της οπτικής γωνίας του αισθητήρα κατά τη σάρωση Κίνηση του Δορυφόρου Κίνηση της γης Μετατροπή της δορυφορικής εικόνας σε κλίμακα και συντεταγμένες χάρτη. (γεωμετρική αναγωγή) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 7
ΤΟ ΣΧΗΜΑ ΤΗΣ ΓΗΣ Σφαιρικό : Πυθαγόρας Αριστοτέλης μέχρι τα τέλη του 16 ου αιώνα Ελλειψοειδές : 1670 Νεύτωνας, διόγκωση της γης στον ισημερινό Πολικός Αξονας b a Ισημερινός Αξονας Γεωειδές : Μια ακανόνιστη κυματοειδής επιφάνεια με κάθε σημείο της να είναι κάθετο προς την διεύθυνση της βαρύτητας. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 8
ΠΡΟΒΟΛΕΣ Είναι η μέθοδος με την οποία σημεία της επιφάνειας του ελλειψοειδούς μπορούν αν μεταφέρονται πάνω σε ένα επίπεδο φύλλο χάρτου. Το σύστημα προβολής σ ένα χάρτη χρησιμεύει στον να μετασχηματίσει την σφαιρική τρισδιάστατη επιφάνεια της γης σε ένα επίπεδο δισδιάστατο χάρτη. Η επιφάνεια της γης ( σφαίρα ή για την ακρίβεια το ελλειψοειδές) «προβάλλεται» σε μια από τις ακόλουθες επιφάνειες: την επίπεδη επιφάνεια (Αζιμουθιακές), τον κύλινδρο (κυλινδρικές), και τον κώνο (κωνικές) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 9
ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΡΟΒΟΛΩΝ Επίπεδο Κώνος Γη ΑΖΙΜΟΥΘΙΑΚΗ Κύλινδρος ΕΛΛΕΙΨΟΕΙΔΕΣ ΚΥΛΙΝΔΡΙΚΗ ΚΩΝΙΚΗ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 10
ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΡΟΒΟΛΕΣ Οι προβολές επιφέρουν μεγαλύτερες ή μικρότερες παραμορφώσεις στα γεωμετρικά στοιχεία των χαρτών. Ανάλογα με τα στοιχεία που διατηρούν αναλλοίωτα έχουμε : Ισαπέχουσες : Διατηρούνται τα μήκη Ισοδύναμες: Διατηρούνται τα εμβαδά Σύμμορφες : Διατηρούνται οι γωνίες ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 11
ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΠΡΟΒΟΛΗ ΚΑΙ ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΑ Εξαρτάται από την χρήση του χάρτη: -Ναυσιπλοΐα ή αεροπλοΐα, μετεωρολογία ή στα τεχνικά έργα πιο σπουδαία κριτήρια οι αποστάσεις και οι γωνίες. - Σε γεωγραφικά, οικονομικά, κοινωνικά, ιστορικά φαινόμενα== το ενδιαφέρον εστιάζεται στις διαστάσεις των επιφανειών (ισοδύναμη προβολή) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 12
ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ Ο προσδιορισμός της θέσης ενός σημείου στο χώρο και στο επίπεδο απαιτεί ένα γεωμετρικό σύστημα αναφοράς ή ένα σύστημα συντεταγμένων Χωρικά συστήματα συντεταγμένων : Προσδιορισμός της θέσεις ενός σημείου στην Γη (τρισδιάστατα συστήματα συντεταγμένων) : Γεωγραφικές Συντεταγμένες Επίπεδα συστήματα συντεταγμένων : Το επίπεδο είναι ο χάρτης. Το σύστημα συντεταγμένων εξαρτάται από το είδος της προβολής. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 13
ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ Αποτελεί το βασικό σύστημα αναφοράς εντοπισμού θέσης για τη γη χρησιμοποιώντας τις έννοιες του γεωγραφικού μήκους και του γεωγραφικού πλάτους. Γεωγραφικού Πλάτος (φ) : την γωνιακή απόσταση από τον ισημερινό, στην κατεύθυνση βορρά-νότου Ισημερινός Γεωγραφικό μήκος, (λ) : την γωνιακή απόσταση από έναν πρώτο μεσημβρινό στην κατεύθυνση ανατολής -δύσης. ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 14
ΕΠΙΠΕΔΕΣ (ΟΡΘΟΓΩΝΙΕΣ) ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ Αυτός ο τύπος συντεταγμένων χρησιμοποιείται για την εύρεση μιας περιοχής πάνω σε επίπεδη χαρτογραφική αναπαράσταση της επιφάνειας της γης. Υ y Π(x,y) Ο x ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 15
ΑΝΑΓΚΑΙΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΧΡΟΝΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΔΟΥΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ GIS ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΩΣΑΙΚΟΥ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ ΣΤΗΝ ΕΙΚΟΝΑ ΜΕ ΓΝΩΣΤΕΣ ΧΑΡΤΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΣΥΝΤΕΤΑΓΜΕΝΕΣ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 16
ΤΥΠΟΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΩΝ ΔΙΟΡΘΩΣΕΩΝ ΕΓΓΡΑΦΗ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΕ ΑΛΛΗ ΕΙΚΟΝΑ (Registration) ΕΓΓΡΑΦΗ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΕ ΧΑΡΤΗ : Γεωαναφορά (Georeferencing) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 17
ΒΗΜΑΤΑ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΔΙΟΡΘΩΣΗΣ (α) Επιλογή τύπου συντεταγμένων : Σύστημα αναφοράς π.χ. ΕΓΣΑ87 (β) Μετασχηματισμός της εικόνας από συντεταγμένες εικόνας σε συντεταγμένες χάρτη Εντοπισμός των σημείων αναφοράς με γνωστές συντεταγμένες (GCP) Υπολογισμός των συντελεστών με τη χρήση πολυωνυμικών εξισώσεων (γ) Επανασύσταση της εικόνας (Resampling) : Μετασχηματισμός των χ,y κάθε pixel με τη χρήση των πολυωνύμων (δ) Ελεγχος της ακρίβειας ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 18
ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ ΕΓΣΑ87 ΤΟ ΕΓΣΑ87 ΟΡΙΖΕΤΑΙ: DATUM : Ελλειψοειδές GRS80 και μετάθεση του ελλειψοειδούς ως προς το κέντρο της ΓΗΣ ΠΡΟΒΟΛΗ : Εγκάρσια μερκατορική ΤΜ ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 19
ΕΓΣΑ87 : ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗ ΤΟΥ ΕΛΛΕΙΨΟΕΙΔΟΥΣ GRS80 ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 20
ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗ ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΜΕ ΠΟΛΥΩΝΥΜΑ x= a 0 +a 1 X+a 2 Y y=b 0 +b 1 X+b 2 Y Όπου: Χ,Υ συντεταγμένες του χάρτη x,y συντεταγμένες εικόνας Με την χρήση των GCP υπολογίζονται οι 6 άγνωστοι συντελεστές (a,b) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 21
ΕΠΑΝΑΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ (1) (Resampling) Εκ νέου προσιδορισμός των τιμών των pixels στις νέες θέσεις Αρχική εικόνα Eικόνα μετά τη γεωαναφορά ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 22
ΕΠΑΝΑΣΥΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ (2) (Resampling) Τρεις μέθοδοι : Του πλησιέστερου γειτονικού σημείου Διγραμμική παρεμβολή Κυβική παρεμβολή ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 23
Του πλησιέστερου γειτονικού σημείου Επιλέγεται το πλησιέστερο pixels της αρχικής εικόνας και μεταφέρεται στη διορθωμένη Διορθωμένη εικόνα Αρχική εικόνα ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 24
Διγραμμική παρεμβολή Επιλέγεται ο μέσος όρος των 4 pixels, της αρχικής εικόνας, που βρίσκονται πλησιέστερα στο υπόψη εικονοστοιχείο Διορθωμένη εικόνα Αρχική εικόνα ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 25
Κυβική παρεμβολή Επιλέγεται ο μέσος όρος των 16 pixels, της αρχικής εικόνας, που βρίσκονται πλησιέστερα στο υπόψη εικονοστοιχείο Διορθωμένη εικόνα Αρχική εικόνα ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 26
ΕΛΕΓΧΟΣ ΑΚΡΙΒΕΙΑΣ :Σφάλμα Γεωμετρικής Διόρθωσης Ο Υπολογισμός της απόστασης μεταξύ της αρχικής (input) θέσης του GCP και της θέσης του GCP μετά τον μετασχηματισμό ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 27
ΙΙ. ΒΕΛΤΙΩΣΗ - ΕΝΙΣΧΥΣΗ - ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Μέθοδοι βελτίωσης της οπτικής εμφάνισης της εικόνας για τη διευκόλυνση της φωτοερμηνείας ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ 28
ΙΙ. ΒΕΛΤΙΩΣΗ (Ενίσχυση) ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ (1) Α. Ραδιομετρική ενίσχυση: Η ενίσχυση της εικόνας βασίζεται στις τιμές των pixels Β. Χωρική ενίσχυση: Η ενίσχυση της εικόνας βασίζεται στις τιμές του κάθε pixel αλλά και των γειτονικών pixels Γ. Φασματική ενίσχυση: Η ενίσχυση της εικόνας βασίζεται στο μετασχηματισμό των πολυδιάστατων δεδομένων (κανάλια): Αριθμητικές πράξεις των ψηφιακών εικόνων Ανάλυση κυρίων συνιστωσών Δ. Ανάλυση FOURIER : Μείωση του περιοδικού θορύβου Ε. Ενίσχυση εικόνων RADAR 29
Α. ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ : ΙΣΤΟΓΡΑΜΜΑ Γραφική αναπαράσταση της κατανομής των pixels, της εικόνας, στις ψηφιακές τιμές ΒΕΛΤΙΩΣΗ 0 ΕΙΚΟΝΩΝ: 255 Ραδιομετρική Ενίσχυση 30
ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Βελτίωση ενίσχυση- της αντίθεσης της εικόνας 1) Γραμμική Βελτίωση (linear contrast stretch) 2) Ιστογραμμική Εξισορρόπηση (histogram equalization) 3) Τμηματικές γραμμικές μη γραμμικές βελτιώσεις ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση 31
ΔΙΕΥΡΥΝΣΗ ΤΗΣ ΑΝΤΙΘΕΣΗΣ (CONTRAST MANIPULATION) ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση 32
ΓΡΑΜΜΙΚΗ (LINEAR) ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ (NONLINEAR) ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ ΡΑΔΙΟΜΕΤΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση 33
1) Γραμμική Βελτίωση (linear contrast stretch) Αρχικές τιμές λαμπρότητας μετατρέπονται γραμμικά σε νέα κατανομή (νέα ελάχιστη μέγιστη τιμή) ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση 34
2) Ιστογραμμική Εξισορρόπηση (histogram equalization) Μείωση της αντίθεσης στα άκρα του ιστογράμματος (πολύ ανοιχτές πού σκούρες περιοχές) Βελτίωση της αντίθεσης στα μέσα επίπεδα των τιμών Αρχικό Ιστόγραμμα Μετά την εξισορρόπηση Κορυφή Ακρα Βελτίωση της αντίθεσης των pixels στην κορυφή ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση Απώλεια της αντίθεσης των pixels στα άκρα 35
Μετα την ενίσχυση 3) Τμηματικές γραμμικές μη γραμμικές βελτιώσεις Βελτιώση ορισμένων τμημάτων της εικόνας : π.χ Βελτίωση μόνο της ξηράς σε σχέση με τις υδάτινες επιφάνειες Αρχικό ιστόγραμμα ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΕΙΚΟΝΩΝ: Ραδιομετρική Ενίσχυση 36
Β. ΧΩΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ Χωρική ενίσχυση ή κατά χώρο φιλτράρισμα (Spatial Filtering) :Η τιμή του pixel αλλά και των γειτονικών pixels δίνουν τη νέα τιμή του συγκεκριμένου pixel Χωρική Συχνότητα : Ο αριθμός αλλαγών στις τιμές φωτεινότητας ανά μονάδα απόστασης για ένα τμημά της εικόνας Μηδενική Χωρική Συχνότητα Χαμηλή Χωρική Συχνότητα Υψηλή Χωρική Συχνότητα ΧΩΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ 37
ΔΥΟ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΦΙΛΤΡΩΝ Χαμηλής Διάβασης (low pass) : Εξομαλύνονται οι λεπτομέρειες της εικόνας (μειώνεται η αντίθεση) Υψηλής Διάβασης (hight pass) : Ενισχύονται τμήματα υψηλής συχνότητας (γραμμικά αντικείμενα όρια καλύψεων γης) ΧΩΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ 38
ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΩΝ ΦΙΛΤΡΩΝ Καθορισμός ενός «παραθύρου» με συντελεστές βάρους που διατρέχει όλη της εικόνα Παράθυρο διαστάσεων 3Χ3 Αρχικά δεδομένα Μετα τη διέλευση του φίλτρου ΧΩΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ 39
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΦΙΛΤΟΥ ΥΨΗΛΗΣ ΔΙΑΒΑΣΗΣ Αρχική Εικόνα Μετά τη χωρική ενίσχυση ΧΩΡΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ 40
Γ. ΦΑΣΜΑΤΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΤΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Αριθμητικές πράξεις των ψηφιακών εικόνων Ανάλυση κυρίων συνιστωσών ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 41
Αριθμητικές πράξεις των ψηφιακών εικόνων Εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών Πρόσθεση : Χρήση με φίλτρα Αφαίρεση: Χρησιμοποιείται για τον εντοπισμό αλλαγών σε εικόνες της ίδιας περιοχής αλλά σε διαφορετικές χρονικές στιγμές Πολ/σμός : Χρήση με φίλτρα για την ενίσχυση των ακμών Διαίρεση : Η πιο χρήσιμη πράξη μ επολλές εφαρμογές (δείκτες βλάστησεις) ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 42
Ανάλυση σε Κύριες Συνιστώσες (PCA) Είναι μια μέθοδος :Συμπίεσης του όγκου των πληροφοριών των δορυφορικών δεδομένων ΠΡΟΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΩΝ 43