Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 681.51:504(07)

ББК 26.82

• КЗ

;)

ч-л

•, 1 ••

л*

• t 1

ецензенты:

V 7

• v

if"

' •>

во

Варфоломеев,

Л.М.

Ускова,

А.П.

Шевырнт^ов

Л/

Кашкин В.Б., Сухинин А.И. *Ч г

КЗ

Дистанционное зондирование Земли из космоса. Циф-

ровая обработка изображений: Учебное пособие. *М.:

***ч

Логос,

2001.

-264 с: ил.

ISBN

5-94010-138-0

Описываются принципы и технологии космического дистанционного

зондирования Земли в оптическом и радиодиапазоне, представления изобра-

жений в цифровой форме, ввода изображений в ПЭВМ, визуализации и об-

работки цифровых изображений, а также методы распознавания образов.

Приводятся сведения о географических информационных системах. В каче-

стве примеров использования космических средств обсуждаются результаты

дистанционного зондирования стихийных бедствий (лесных пожаров, зато-

ров льда на реках, наводнений, штормовых ветров),

также состояние расти-

тельности, водоемов, снегового и ледового покрова. Приводятся методы ис-

следования вертикальных профилей атмосферы, изучения облачности.

Рассмотрена проблема атмосферного озона.

Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направле-

ниям и специальностям: «Дистационное зондирование Земли», «Геоинфор-

мационные системы», «Экология», «Цифровая обработка информации». Пред-

ставляет интерес для ученых и специалистов, занимающихся дистанционным

зондированием Земли и других объектов, а также сотрудников МЧС.

ББК 26.82

Издание осуществлено при финансовой поддержке Федеральной

целевой программы «Государственная поддержка интеграции

высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы»

ISBN

5-94010-138-0

€>

Центр «Интеграция», 2001

ОГЛАВЛЕНИЕ

Им«

IMCЮИИС

н-мичсские средства кот

роля

окружающей среды

' (Кипам характеристика дистанционных методов

' Фптичсскис основы дистанционного зондирования

1.2.1. Излучение энергии нагретыми телами

1.2.2.

Отражение

рассеяние солнечной энергии поверхностью

1.2.3. Влияние атмосферы

Методы изучения Земли

из

космоса

1.3.1. Оптические методы

1.3.2.

Радиотехнические методы

1.3.3.

Спутниковые методы исследования атмосферы

Дистанционное зондирование Земли

из

космоса

1.4.1

Орбиты спутников

1.4.2.

Прием спутниковой информации

1.4.3.

Спутники

для

дистанционного зондирования

1.4.4.

Искажения спутниковых сканерных изображений

liitliipojibHbie задания

ЛН1?рптура

Подставление изображений

ЭВМ 62

I Виды изображений

.' Датчики изображений

2.2.1.

Передающая телевизионная трубка

—

видикон

2.2.2. Твердотельные датчики

I Ввод изображений

в ЭВМ 68

I Устройства визуализации изображений

Представление изображений

в ЭВМ 73

Алгоритмы сжатия изображений

Форматы графических файлов

К. Модели растровых изображений

,. 81

2.8.1.

Двухмерное случайное поле

2.8.2. Однородные

изотропные случайные поля

2.8.3.

Модели случайных полей

2.8.4. Моделирование случайных полей

частотной области

Кон

грольные задания

ihiieparypa

Восстановление

улучшение изображений

100

1 1. Качество изображений

100

3.2. Предварительная обработка данных дистанционного зондирования

101

3.2.1.

Геометрическая коррекция спутниковых изображений

!01

3.2.2. Радиометрическая коррекция результатов дистанционного

зондирования

104

3.2.3.

Атмосферная коррекция

106

3.2.4. Восстановление пропущенных пикселов

109

3.2.5.

Улучшение изображений путем изменения контраста

111

3.3.

Линейная пространственно-инвариантная фильтрация

115

3.3.1.

Линейные преобразования

частотной плоскости

117

3.3.2. Линейная фильтрация

частотной плоскости

120

3.3.3.

Линейная локальная фильтрация 124

3.4. Нелинейная фильтрация изображений 131

3.4.1.

Медианная фильтрация 131

3.4.2. Сигма-фильтр ,,,,,-,,,,,. 134

3.4.3.

Нелинейные градиентные фильтры 135

3.4.4. Кепетральная обработка ».,,,., I,I.,-WJ37

3.4.5.

Ряд Вольтсрра в нелинейной обработке изображений ,,.., .,it,;....... 139

Контрольные задания л^'.т'.г,. *.. 143

Литература ,^uV 143

Распознавание образов 145

4.1.

Основы обшей теории распознавания образов 145

4.1.1.

Подходы к распознаванию изображений 147

4.2.

Сегментация изображений 153

4.2.1.

Пороговая сегментация и кластерный анализ 154

4.2.2.

Сегментация путем наращивания областей 160

4.2.3.

Сегментация путем выделения границ 163

4.3.

Обнаружение объектов известной формы на изображении 164

4.4.

Применение теоремы Байсса. Решающее правило 167

4.5.

Параметрические методы классификации 171

4.5.1.

Нормальный закон распределения в задачах классификации 171

4.5.2.

Метод максимального правдоподобия 175

4.6.

Простые методы, основанные на группировании 178

4.7.

Непараметрические методы классификации ,

,.ч.

180

4.8.

Анализ главных компонентов •',.•*••;.

182

4.9.

Применение нейрокомпьютеров Л ,, 187

Контрольные задания ;... 190

итература 191

5. Применение космических средств контроля окружающей среды 192

5.1.

Географические информационные системы 192

5.1.1.

ГИС мониторинга лесных пожаров 192

5.2. Проблема обнаружения лесных пожаров 207

5.2.1.

Общая характеристика лесного пожара 207

5.2.2. Космический лесопожарный мониторинг 208

5.3.

Контроль состояния растительности 215

5.4. Контроль состояния водоемов 221

5.5.

Контроль снегового и ледового покрова 224

5.6. Исследование вертикальных профилей атмосферы 229

5.7. Изучение облачности 236

5.Н.

Проблема атмосферного озона 246

5.8.1.

Ультрафиолетовое излучение Солнца 246

5.8.2. Экологическая роль озона 247

5.8.3.

Образование и разрушение озона 248

5.8.4. Методы измерения общего содержания озона 251

5.8.5. Пространственно-временная динамика стратосферного озона 253 ,;

5.8.6. Циркумполярные вихри и озоновая дыра 255

5.9. Пакет IDRISI для цифровой обработки изображений 259 ;

Контрольные задания 260 ;•

Литература wv;. 261

• , -Ah •

т..

;>"

• J

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последнее десятилетие для России важное значение приобре-

ли спутниковые методы исследования ее территории. Это связано как

с дальнейшим совершенствованием космической техники, так и со

свертыванием авиационных и наземных методов мониторинга. Особен-

но большое значение спутниковые методы имеют для севера страны

и азиатской ее части.

Основные области применения спутникового дистанционного зон-

дирования

—

получение информации о состоянии окружающей среды

и землепользовании, изучение растительных сообществ, оценка урожая

сельскохозяйственных культур, оценка последствий стихийных бед-

ствий: наводнений, землетрясений, извержений вулканов, лесных

пожаров. Средства дистанционного зондирования эффективны при

изучении загрязнения почвы и водоемов, льдов на суше и на воде,

океанологии. Эти средства позволяют получать сведения о состоянии

атмосферы,

том числе в глобальном масштабе. Данные зондирования

поступают в виде изображений, как правило, в цифровой форме, обра-

ботка ведется на ЭВМ, поэтому проблематика дистанционного зонди-

рования тесно связана с цифровой обработкой изображений.

К сожалению, в настоящее время ощущается нехватка научной

и методической литературы по указанным вопросам. Этот вакуум мог-

ли бы восполнить переводы многочисленных зарубежных монографий

и учебных пособий, однако, во-первых, таких переводов практически

нет, а во-вторых, в зарубежных изданиях не отражена российская спе-

цифика. Эти причины и побудили авторов написать предлагаемую

книгу.

Учебное пособие подготовлено на основе конспектов лекций, чи-

таемых авторами, с использованием материалов практических заня-

тий студентов Красноярского государственного технического универ-

ситета (специальности 071903 «Геоинформационные системы», 320700

«Защита окружающей среды и рациональное природопользование»)

и Красноярского государственного университета (специальность 010400

«Физика»). При этом учтен опыт работы станции HRPT приема инфор-

мации со спутников дистанционного зондирования Земли NOAA, пе-

реданных Российской академии наук Национальной администрацией

США по аэронавтике и исследованию космического пространства

(NASA)

результате межправительственного соглашения между Росси-

ей и США. При этом исключительно важную роль сыграли академик

А.С.

Исаев (Международный институт

леса,

Москва)

доктор

Р.

Мер-

фи (NASA). Установленная в 1994 г. в Институте леса СО РАН им.

В.Н. Сукачева (Красноярск) станция HRI4 по своему техническому

и программному оснащению является уникальной

и ни

России и стран

СНГ. Ежедневно производится прием информации с нескольких спут-

ников NOAA, накоплен обширный архив сиу пшмтых данных о (иби-

ри.

Российским коллективом сотрудников сганппп при участи аспи-

рантов и студентов КГУ и КГТУ разработаны орш ппллыпле методики

и программные продукты.

Глава I написана совместно В.Б. Кашкипым и Л.И. (ухининым; гла-

вы 2,4 — В.Б. Кашкиным; §5.1—5.7 — А.И.Сухинииым, §5.8 - А.И. Су-

хининым и А.В. Черепановым, остальное — В.Б. Кашкипым.

".-.,.,4 /».п

:-•• 'h -•' ,ж

• ?i JOHF wot а Л*

»;'А(

f>l^

f, '•.'.''... il • К i' • > •

u»;

*;•-> tf.i'j wii:

' - '•

;voi

,•»

t.;

н . • f! /

'•

•i *;- tfTf к -.

-ш-

лш- i^ •*••

•

T *

'"" .--'" ... ..- > 0 'J

• ' л , •

I 1

! <u

p .M\i •«/ .n-H .W>

гН-/'.;

. :yt A;..'

>•• . •'•

tiif'"

м. " ••- ''НГ<м,,\л.^.;/:л\ -;t n «-г ,

•Т"л>4\?5 •• V

'i-: •

••>.•>•,

i. ,.

j';f-

;'tr>«. ••' ••'•

i. ••• T? V.. .<r.ftf'J •• • '.'• ' . " . .••» ,, •; 4W. ;< • ' . .

;

.-•'•; >? :

,гч*л.

.». '

••

•:•[!'

•;? <Ш

'>•''••'•

.••- "),

КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСТАНЦИОННЫХ МЕТОДОВ

Для наблюдения Земли из космоса используют дистанционные ме-

тоды: исследователь имеет возможность на расстоянии получать инфор-

мацию об изучаемом объекте. Дистанционные методы, как правило, яв-

ляются косвенными, т.е. с их помощью измеряют не интересующие

нас параметры объектов, а некоторые связанные с ними величины.

Например, нам необходимо оценить состояние сельскохозяйственных

посевов. Но аппаратура спутника регистрирует лишь интенсивность све-

тового потока от этих объектов в нескольких участках оптического ди-

апазона. Чтобы «расшифровать» такие

данные,

требуются предваритель-

ные исследования, включающие в себя различные эксперименты по

изучению состояния растений контактными методами; по изучению от-

ражательной способности листьев в различных участках спектра и при

различном взаимном расположении источника света (Солнца), листь-

ев и измерительного прибора. Далее необходимо определить, как вы-

глядят те же объекты с самолета, и лишь после этого судить о состоя-

нии посевов по спутниковым данным.

Методы изучения Земли из космоса не случайно относят к высоким

технологиям. Это связано

не

только с использованием ракетной техни-

ки,

сложных оптико-электронных приборов, компьютеров, но и с но-

вым подходом к получению и интерпретации результатов измерений.

И хотя трудоемкие подспутниковые исследования проводятся на не-

большой площади, они дают возможность обобщать данные на огром-

ные пространства

даже на весь земной шар. Широта охвата является

характерной чертой спутниковых методов исследования Земли. К то-

му же эти методы, как правило, позволяют получать результат за срав-

нительно короткий интервал времени.

настоящее время для Сибири

с ее бескрайними просторами спутниковые методы единственно при-

емлемы.

Примеры изображений Земли из космоса представлены на

рис.

1.1

и 1.2.

К числу особенностей дистанционных методов относится влияние

среды (атмосферы), через которую проходит сигнал со спутника. Самый

простой пример такого влияния

—

наличие облачности, закрывающей

интересующие объекты

делающей невозможным наблюдения

опти-

ческом диапазоне. Однако и при отсутствии облачности атмосфера ос-

./••••.

а-,'-*

•>]

Рис. 1.1. Изображение озера Байкал со спутника NOAA (разрешение 1,1 км)

*0-

Kir:

чпоч

-ЫйП

•'

<гк*ч

•ч

10 км

••ли

* 1

Рис;! Й. Место впадения р. Селенги в озеро Байкал (разрешение 45 м)

I лабляет излучение от объекта, особенно в полосах поглощения состав-

| ляющих ее газов. Поэтому приходится работать в так называемых ок-

нах прозрачности, учитывая, что и в них имеют место поглощение

и рассеяние излучения газами и аэрозолем.

радиодиапазоне возмож-

но наблюдение Земли и сквозь облачность.

Информация о Земле поступает со спутников, как правило, в ци-

фровом виде,

что

также характерно для дистанционных методов. Назем-

ная цифровая обработка изображений проводится на ЭВМ; в настоя-

щее время она относится к числу наиболее динамично развивающихся

информационных

технологий,

применяемых

робототехнике, полигра-

фии, медицине, физическом материаловедении и т.д.

Современные спутниковые методы позволяют не только получать

изображение Земли. Используя чувствительные приборы, удается из-

мерять концентрацию атмосферных газов, в том числе вызывающих

парниковый эффект. Спутник «Метеор-3» с установленным на нем

прибором TOMS позволял за сутки оценить состояние всего озоново-

го слоя Земли. Спутник NOAA кроме получения изображений поверх-

ности дает возможность исследовать озоновый слой и даже изучать

вертикальные профили параметров атмосферы (давление, температу-

|; ру, влажность на разных высотах в сотнях точек в полосе обзора).

к Дистанционные методы делят на активные и пассивные. При ис-

| пользовании активных методов спутник посылает на Землю сигнал

I собственного источника энергии (лазера, радиолокационного пере-

датчика), регистрирует

его

отражение. Радиолокация позволяет «видеть»

Землю сквозь облака. Чаще используются пассивные методы, когда

регистрируется отраженная поверхностью энергия Солнца либо тепло-

вое излучение Земли.

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

1.2.1.

Излучение энергии нагретыми телами

При дистанционном зондировании Земли из космоса используют-

ся оптический диапазон электромагнитных волн и микроволновый

участок радиодиапазона. Оптический диапазон (рис. 1.3) включает

в себя ультрафиолетовый (УФ) участок спектра; видимый участок

—

си-

нюю (В), зеленую (G) и красную (R) полосы; инфракрасный участок

(ИК)

—

ближний (БИК), средний и тепловой.

При пассивных методах зондирования в оптическом диапазоне ис-

точниками электромагнитной энергии являются разогретые до доста-

точно высокой температуры твердые, жидкие, газообразные тела.

Вили

мы и

И нфракраа

ый

УФ

С.

R БИК Средний И К Тепловой

0,1 0,38 0.5 0,6 0,76 1

?>,<>

Длипп полны, мкм

Рис. 1.3. Оптический диапазон электромагнитных ноли

При термодинамическом равновесии с окружающей средой все тела

с одинаковой температурой Гизлучают одинаково (первый закон Кирх-

гофа).

При этом энергия, поглощаемая участком поверхности

секун-

ду, равна энергии, излучаемой

тот

же

промежуток времени той же по-

верхностью (второй закон Кирхгофа).

Интенсивность излучения /в заданном направлении, характеризу-

емом углом а между нормалью и излучающей поверхностью абсолют-

но черного тела, определяется законом Ламберта: /- /

cosa, где /

—

максимальная интенсивность излучения при a

= 0;

при a

90°,

т.е.

по ка-

сательной к поверхности, интенсивность излучения равна нулю.

По

формуле Планка поток энергии, излучаемой

состоянии термо-

динамического равновесия единицей поверхности абсолютно черного

тела с температурой Г в интервале длин волн

А,

dK,

В(к

Г)

JSJ

*•{

Здесь

с\

3,7415

•

Вт-мкм

/м

; с

= 14 388 мкм

•

К. Максимум излу-

чения приходится на

А,=

2898/Гмкм.

Полная энергия во всем интервале длин волн описывается форму-

лой Стефана-Больцмана:

со

JB(K

T)dX

aT\

где

-5,67- 1(НВт

•

м ~

' К'

При наблюдении Земли из космоса при длине волны короче

2-3 мкм регистрируется энергия Солнца, отраженная и рассеянная

поверхностью суши, воды и облаков. Температура поверхности (фото-

сферы) Солнца равна 5785 К, максимум излучения приходится на

0,5 мкм (рис. 1.4). Озон, в небольшом количестве содержащийся в ат-

ехр

(1.1)