Программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования Земли

Дистанционное зондирование Земли в широком смысле — это получение любыми неконтактными методами информации о по­верхности Земли, объектах на ней или в ее недрах, обычно в виде изображения земной поверхности в определенных участках элек­тромагнитного спектра [Геоинформатика, 1999]. Информация, полученная в виде фотографического, сканерного, радиолокаци­онного или иного изображения в цифровом либо аналоговом виде, получила название материалов дистанционного зондирования (МДЗ), данных дистанционного зондирования (ДДЗ) или мате­риалов аэрокосмосъемок (МАКС). В дальнейшем для обозначения такой информации будем пользоваться аббревиатурой — ДДЗ.

Системы обработки ДДЗ долгое время развивались отдельно и почти независимо от ГИС. Все 70-е годы и даже в начале 80-х основная деятельность по компьютерной обработке ДДЗ в мире была сосредоточена в ограниченном числе организаций. Как пра­вило, это были либо непосредственные поставщики данных (те, кто реально управлял спутниками и принимал с них информа­цию), либо крупные научно-исследовательские центры, связан­ные с космическими исследованиями Земли и общими пробле­мами обработки изображений.

Обработка изображений заключалась в массовой предваритель­ной коррекции снимков или в опробовании новых алгоритмов, по­пытках применения созданных методик для решения прикладных задач [А.С.Алексеев, В.П.Пяткин, В.Н.Деменьев и др., 1988].

Предварительная обработка ДДЗ осуществлялась в производ­ственных объемах, а тематическая носила характер научного экс­перимента. Соответственно и программное обеспечение имело черты уникальных комплексов, не предназначенных для широко­го применения [У.Прэтт, 1982; Цифровая..., 1991].

Однако большинство методов и приемов обработки изображе­ний, которыми оперируют современные программы, были зало-

жены именно в то время и в математическом смысле не претерпе­ли принципиальных изменений. Главное, что отличает современ­ное программное обеспечение для обработки ДДЗ, — это боль­шая ориентация на конечного пользователя-прикладника и, естественно, на совершенно другие классы компьютеров [Норма­тивно-правовая..., 1999; Э.А.Трахтенгерц, 1998].

Специфика аппаратного и программного обеспечения для обра­ботки ДДЗ.Аппаратной платформой для профессиональной рабо­ты с ДДЗ, как и для ГИС, являются рабочие станции RISC-UNIX и персональные компьютеры к операционным системам Windows 2000 иWindows NT.

Профессиональное программное обеспечение для обработки ДДЗ имеет определенные особенности, отличающие его от систем общего назначения, таких, как PhotoPoint, PhotoShop, и профес­сиональных систем обработки изображения, применяемых в на­учных исследованиях (типа пакета/языка IDL). И те, и другие ра­ботают с растровой моделью данных, используя или совершенно одинаковые, или опирающиеся на аналогичный математический аппарат методы обработки изображения. Основное объективное различие заключается в специфике самих данных зондирования.

Во-первых, ДДЗ — это значительные объемы файлов, для эф­фективной работы с которыми необходимы специальные сред­ства, в том числе иерархически сжатые форматы данных, более сложные, чем простой растр.

Снимок SPOT, изображающий территорию площадью 60 х 60 км с размером пиксела 10 м на местности, имеет размер примерно 35 Мбайт, а серое 8-битовое изображение, полученное камерой МК-4, при восьмиметровом пикселе занимает около 380 Мбайт.

При цветном или трехканальном представлении размеры фай­лов увеличиваются в 3 раза. Полный оцифрованный снимок каме­ры КВР-1000 при наилучшем разрешении на местности, состав­ляющем 2 м, требует 1,5 Гбайта машинной памяти. Для того чтобы выполнить обработку таких снимков, требуется минимум в 2 — 5 раз больше дискового пространства, чем занимает исходное изоб­ражение.

Во-вторых, ДДЗ — это часто многозональные съемки с числом зон более трех (иногда несколько десятков и даже сотен), кото­рые нельзя трактовать как изображения RGB True Color (24 бит/ пиксел), чем обычно исчерпываются возможности программного обеспечения общего назначения. При этом возникает задача оп­тимальной визуализации изображений, сравнительной информа­тивности разных зон, что совсем не характерно для обработки изображений в таких системах, как PhotoPoint или PhotoShop.

В-третьих, ДДЗ — это пространственная, географически при­вязанная информация, связанная с определенной территорией. Со­ответственно возникает геодезический аспект (картографические

проекции, координатные системы и т.п.), который полностью отсутствует в графическом программном обеспечении общего на­значения.

Имеется также множество других факторов, которые часто при­ходится учитывать, например влияние атмосферы или кривизны Земли.

В ДДЗ оказываются важными числовое, абсолютное или нор­мированное значения пиксела. В обычных системах обработки изоб­ражений точным значением каждого конкретного пиксела можно пренебречь из-за отсутствия задачи восстановления каких-либо характеристик снятого объекта по значениям соответствующих пикселов.

Важным свойством программного обеспечения обработки ДДЗ является возможность быстрого перехода от результатов тематичес­кого дешифрирования к выполнению операций моделирования и пространственного анализа средствами ГИС, что обеспечивается наличием формализованных алгоритмов пространственного анализа данных в растровом формате.

В 70 —80-е годы в геологии большие надежды возлагали на ма­шинное, автоматическое дешифрирование [А. С. Алексеев, В.П.Пят-кин, В.Н.Деменьев и др., 1988; Космическая геология, 1979; Кос­мическая информация..., 1983]. Считалось, что компьютерная обработка имеет объективный характер и дает стабильно надеж­ные результаты в противоположность субъективному дешифриро­ванию, производимому человеком. Но по существу один субъек­тивизм подменяется другим: вместо субъективного ручного дешифрирования — субъективный выбор алгоритма. Впечатление об объективном характере машинной тематической обработки и дешифрирования создалось на заре практического применения методов дистанционного зондирования и компьютерной обработки их результатов как раз за счет существовавших тогда барьеров между прикладными специалистами и специалистами по обработке изоб­ражения — математиками и программистами. Все это нанесло се­рьезный моральный ущерб применению методов дистанционного зондирования вообще и методов их компьютерной обработки, в частности. Главное достижение сегодняшнего программного обес­печения для обработки ДДЗ — доступность его для непосредствен­ной и интерактивной работы специалиста-прикладника, а не толь­ко компьютерщика.

Однако простота и удобство интерфейса, ликвидируя одну из методологических проблем, порождают новую — возможность огромного числа вариантов обработки при отсутствии, в боль­шинстве случаев, простых критериев сравнения их результатов. Видимо, оптимальным механизмом оценки результатов дешиф­рирования является сравнение их с имеющимися картографи­ческими данными посредством ГИС-технологий.

Размеры файлов изображений и возможность их визуализации средствами специализированного программного обеспечения.Важ­нейшей характеристикой программного обеспечения для обра­ботки ДДЗ является возможность преобразовывать и визуализи­ровать с достаточной скоростью большие по размеру файлы растровых данных.

Максимальный размер одного файла в большинстве пакетов сегодня ограничивается пределами, определяемыми операционной системой. В большинстве UNIX-систем это 2 Гбайта. Существуют, однако, пакеты для персональных компьютеров с Windows, где эта проблема блестяще решена, например, фотограмметрическая система Photomod, обрабатывающая растры до 3 Гбайт. Сегодня в эти размеры укладываются все ДДЗ, за исключением искусствен­но собранных мозаик из большого числа кадров. Мозаики, впро­чем, в наиболее продвинутых пакетах можно делать виртуальные, позволяющие выравнивать яркостной контраст, совмещать сним­ки, одновременно их обрабатывать и нарезать на листы фотокарт в заданной системе разграфки, не создавая гигантского общего файла.

Для эффективной работы с большими файлами используются специальные структуры данных, отличные от простого «плоского» растра типа TIFF, BMP, BIL, BIP, BSQ. Например, создаются структуры растра с прямым доступом к множеству прямоуголь­ных блоков небольшого размера или иерархические пирамидальные слои — серии предварительно построенных изображений одного и того же снимка с последовательно уменьшающимся разрешением. Они могут храниться в отдельных файлах или в составе того же файла, где хранится первичный растр. При выводе на экран интер­поляция проводится от слоя с наиболее близким разрешением к необходимому для текущего масштаба вывода. Время визуализации такого изображения уменьшается значительно.

Часто для удобства обрабатываемый снимок отображается в двух окнах, в одно из которых выводится полностью вписанное проре­женное изображение, а в другое — фрагмент изображения в ори­гинальном или немного уменьшенном разрешении. При этом дей­ствия, выполняемые оператором в любом из окон, одновременно отображаются в обоих, что дает возможность как быстрой работы с большими файлами, так и контроля точности выполняемых операций.

Для современных средств обработки ДДЗ характерно стремле­ние к хранению не результатов обработки, а исходных данных и алгоритмов, позволяющих воспроизвести при необходимости нуж­ный результат. Это происходит в силу нескольких обстоятельств. Во-первых, появилось понимание ценности первичных, необработан­ных или малообработанных изображений. Например, даже геометрическое трансформирование, необходимое при привязке

изображения к карте, требует пересчета значений пикселей на но­вую сетку растра, что обычно выполняется при участии интерпо­ляции и приводит к некоторой деградации мелких контрастных деталей в изображении и искажению его первичной радиометрии. Поэтому имеет смысл не накапливать многочисленные стадии об­работки, а возвращаться к исходным данным, к первичному нео­бработанному изображению. Во-вторых, выгоднее хранить проце­дуры обработки, повторяя их при необходимости, тем более что промежуточные файлы можно организовывать как временные на­боры данных или даже просто располагать их в оперативной памя­ти. Используя несколько различную терминологию, подобный под­ход применяется, например, в ERDAS Imagine и ER Mapper.