Изобразительные свойства и дешифрирование снимков

Дешифрирование снимков как метод исследования террито­рий, акваторий и некоторых атмосферных явлений по аэрокос­мическому изображению основано на зависимости между свой­ствами объектов и характером их воспроизведения на снимках. Единый процесс дешифрирования включает стадии: обнаруже­ние, распознавание и интерпретацию, а также определение каче­ственных и количественных характеристик объектов и представ­ление результатов дешифрирования в графической (картографи­ческой), цифровой или текстовой форме. Различают дешифриро­вание снимков военное, топографическое, геологическое, сельс­кохозяйственное и др. При географическом дешифрировании, преж­де всего, приходится давать ответ на вопрос о том, чтоизображе­но на снимке. В зависимости от целей аэрокосмических исследова­ний содержание этого ответа может быть достаточно простым (ко­ренные породы, лес, водоем, ледник) или более сложным (ульт­раосновные горные породы; кедровый лес, сильно поврежден­ный сибирским шелкопрядом; участки водоема с различной кон­центрацией взвесей и фитопланктона).

Под дешифрированием всегда понималось извлечение каче­ственной геоинформации со снимков при их непосредственном рассматривании. Не следует думать, что визуальное дешифрирование в современных научных исследованиях – неоправданный анахронизм. В настоящее время это основной и наиболее распространенный способ извлечения информации из снимков. При визуальном дешифрировании изучаемый локальный объект или явление всегда рассматривается в пространственной взаимосвязи с его окружением, что дает важную информацию, которая ускользает при использовании компьютерных технологий. Поэтому стратегия получения тематической информации по космоснимкам заключается в интеграции визуального и компьютерного дешифрирования. Примечательно, что для суждения о достоверности результатов компьютерной обработки снимков нередко приходится использовать визуальные оценки.

Влияние атмосферной дымки, использование не оригинальных снимков, а их контратипов, а также свойства позитивного фотоматериала не позволяют правильно передать на фотоснимке яркостные различия местности во всем тоновом диа­пазоне. Поэтому для надежного измерительного дешифрирования рекомендуется использовать лишь оригинальные фотонегативы, для которых известна величина коэффициента контрастности. При съемке с помощью калиброванного источника света впечатывают фотометрический клин, который после проявления позволяет построить характеристическую кривую и по ней опре­делить величину коэффициента контрастности. При этом следу­ет учитывать сложность выполнения компьютерного дешифриро­вания цифровых фотографических снимков. Отобранные многозо­нальные снимки должны подвергаться дополнительной коррек­ции, устраняющей целый ряд фотометрических искажений, вно­симых не только атмосферой и съемочной аппаратурой, но и хи­мико-фотографической обработкой. Наиболее надежных резуль­татов компьютерного дешифрирования удается достичь при рас­положении оптических плотностей дешифрируемых объектов на прямолинейном участке характеристической кривой при их сред­нем значении около 1,0.

Итак, без достаточно сложной и тщательно выполненной фо­тометрической коррекции (иногда с использованием фотометри­ческих эталонов на местности) получить по фотографическим снимкам достоверные результаты компьютерного дешифрирова­ния по алгоритмам, основанным на знании спектральной отражательной способности объектов, нельзя. Однако на практике нередко используют оцифрованные цветные или спектрозональные фотоснимки для этих целей, но при условии размещения дешифрируемых и эталонных объектов на одном и том же снимке.

Сканерные (цифровые) снимки. Передача яркостных градаций на сканерных и фотографических снимках различна. Прежде всего, электронные сканеры регистрируют в числовом виде собственно яркость объекта, а не производную от нее величину почернения фотографического изображения. При создании сканеров добиваются линейной передачи яркостей объекта. Однако, как и у фотографических систем, у электронных существуют верхний и нижний пороги чувствительности, за пределами которых яркость регистрируется как нулевая либо как максимальная. Влияние ат­мосферной дымки на яркость изображения объектов аналогично ее воздействию на фотографические снимки. Поэтому при много­зональной сканерной съемке необходимо знание калибровочных коэффициентов, которые должны сопровождать файлы цифро­вых снимков. При создании файлов-копий цифрового снимка в отличие от фотографического не происходит каких-либо измене­ний яркостных градаций. Таким образом, цифровые снимки более пригодны для измерительного (компьютерного) дешифрирования.

Разрешающая способность и пространственное разрешение аэро­космических снимков.Для характеристики детальности аэрокос­мических снимков предложено несколько количественных пока­зателей. Среди дешифровщиков наибольшее распространение по­лучили два показателя: пространственное разрешение и разреша­ющая способность, которая используется для оценки фотографических материалов. Этот показатель приме­няют также для оценки объективов съемочных камер, для харак­теристики способности зрительной системы человека различать мелкие детали и т.д.

Аналоговые (фотографические) снимки. Напомним, что вели­чина разрешающей способности R, представляющая собой число белых и черных штрихов, раздельно воспроизводимых на 1 мм изображения снимка, выражается в миллиметрах в минус первой степени.

Разрешающая способность фотографических снимков зависит от разрешающей способности объектива съемочной камеры и фотопленки, значения которых для лучших образцов можно принять равными 200 мм-¹. Но полученные снимки будут иметь меньшую разрешающую способность. Разрешающую способность объективов и фотопленок, кото­рая указывается в паспортах и каталогах, определяют в лабора­торных условиях по мире абсолютного контраста. Фотографируе­мая же местность в летнее время малоконтрастна, поэтому разре­шающая способность реальных фотоснимков будет меньше рас­четной. Кроме того, сдвиг изображения из-за движения и вибра­ций носителя, воздушная дымка и другие факторы еще больше снижают четкость снимка.

В настоящее время аэрофотоснимки имеют разрешающую способность в среднем 10-40 мм-¹, а кос­мические фотоснимки в 2-3 раза более высокую. Приведен­ные значения относятся к оригинальным негативам, а обыч­но применяемые для дешифрирования отпечатки на фотобумаге будут иметь более низкую разрешающую способность. Если дешифровщику требуется определить фактическую величину разре­шающей способности конкретного фотоснимка, то измеряют с помощью измерительной лупы с 10х увеличением ширину не­скольких наиболее узких и контрастных линейных объектов на снимке.

Распространенный показатель разрешающая способность наиболее подходит для оценки возможности снимка раздельно передавать линейные близко расположенные объекты. При выбо­ре же фотоснимков для дешифрирования важно заранее знать раз­мер на местности того минимального реального объекта (или его отдельной детали), который изобразится на снимке. Здесь большую помощь может оказать другой показатель — пространственное раз­решение. Для фотографических снимков в качестве такого показа­теля принимают линейное разрешение L_R, т. е. наименьшую ширину на местности линейного протяженного объекта, еще воспроизво­димого конкретным снимком.

Необходимо также учитывать, что воспроизведение протяженных линейных объектов существенно лучше, чем компактных. По опытным данным, это соотношение составляет 1:3.

Цифровые (сканерные и др.) снимки. Для цифровых снимков вместо разрешающей способности R в миллиметрах в минус пер­вой степени (линий/мм) нередко употребляют выражение разре­шающей способности R_d в dpi (от англ. dots per inch — точек на дюйм).

В отличие от фотоснимков за пространственное разрешение цифровых снимков принимают размер пиксела на местности, ко­торый обозначается PIX (от слова pixel). Этот первостепенный показатель любой космической съемочной системы всегда приво­дится в ее проспекте. По этому номинальному показателю срав­ниваются различные сканерные системы. Например, простран­ственное разрешение снимков MSS/Landsat принимают равным 80 м, МСУ-Э, Ресурс-О - 45 м, Ikonos- 0,8 м.

Пиксел является наименьшим элементом цифрового изобра­жения, внутри которого отдельные объекты не различаются. Экс­периментально установлено, что для надежного воспроизведения компактного объекта на цифровом снимке его размер должен быть не менее четырех пикселов, а для того, чтобы различались ком­пактные объекты разной формы, их площадные размеры должны составлять уже несколько десятков пикселов.

При строгой сравнительной оценке фотографических и циф­ровых снимков по пространственному разрешению, характери­зуемому для фотографических снимков линейным разрешением L_R, а для цифровых — размером пиксела PIX на местности, при­нимают, что

L_R = √2PIX.

Однако в практической работе с фотографическими и со сканерными снимками это различие нередко игнорируется.

Географическое и другие виды разрешения.Разрешающая спо­собность, линейное разрешение, номинальный размер пиксела на местности являются универсальными показателями, которыми пользуются как разработчики съемочных систем, так и специали­сты, применяющие снимки. Однако выбирая или оценивая снимки для дешифрирования, географ, прежде всего, задает вопрос: какие важнейшие для него объекты будут распознаваться на снимках?

Уверенно ответить на этот вопрос, зная по проспектам номиналь­ное значение показателей разрешения, не удается. Поэтому для оценки снимков предложен качественный показатель их изобрази­тельных свойств - географическое разрешение, которое характери­зуется воспроизводимостью на снимках определенных (репрезен­тативных) объектов. Например, при исследовании горного оледе­нения такими объектами могут быть срединные морены и ледни­ковые трещины, при изучении населенных пунктов - их планиро­вочная структура, улицы, здания. Географическое разрешение удоб­но использовать для определения оптимального для конкретной работы типа снимков, когда выбор объектов обусловлен задачами отраслевого дешифрирования и географическими особенностями региона. Другое его практическое применение - сравнительная оценка имеющихся снимков; в этом случае репрезентативные объек­ты должны составлять разноразмерный ряд однородных объектов.

Помимо пространственного разрешения, характеризующего детальность изображения на снимке, нередко говорят о радио­метрическом (энергетическом), а также о спектральном, тепло­вом и даже временном разрешении.

Радиометрическое (яркостное) разрешение — число уровней яр­кости, регистрируемых приемником излучения. Оно может быть выражено также в битах (2 уровня-1 бит, 4 уровня-2 бит, 16 уровней-4 бит, 64 уровня-6 бит, 256 уровней-8 бит, 1024 уровня-10 бит).

Спектральное разрешение определяется шириной спектральных зон съемки и измеряется в нанометрах (нм) или микрометрах (мкм). Наиболее низкое спектральное разрешение (сотни нм) имеют фотографические панхроматические снимки и снимки, получае­мые инфракрасными радиометрами, а самое высокое (до 10 нм) — гиперспектральные снимки. Повышение спектрального разреше­ния позволяет подробнее классифицировать объекты, например, на основе знаний о полосах поглощения воды, хлорофилла, ми­нералов, газов в атмосфере.

Тепловое разрешение характеризуется величиной разностей тем­ператур различных объектов, которые удается зарегистрировать теп­ловым снимком. У лучших снимков оно составляет десятые градуса.

Временное разрешение зависит от периодичности съемок и оце­нивается интервалом времени между повторными съемками. Оно меняется от 15-30 мин при регулярной съемке с геостационар­ного метеоспутника, суточного интервала у околоземных метео­рологических спутников, 16-18 суток у ресурсных спутников на солнечно-синхронных орбитах до интервалов в несколько лет, ха­рактерных для эпизодических съемок, выполняемых, например, с картографических спутников.

Особенности изображения радиолокационных снимков.Поскольку человек не видит в радиодиапазоне, то изображение на радиолокационных снимках необычно и не соответствует привычному виду объектов. Тон изображения на радиолокационных снимках опре­деляют несколько факторов - шероховатость, влажность, угол встречи радиолуча с отражающей поверхностью, а также длина волны и поляризация излучения. Гладкие поверхности (при не­ровностях меньше половины длины радиоволны) отражают излу­чение в противоположную от радиолокатора сторону и изобража­ются на снимке темным тоном; так выглядят песчаные пляжи, взлетные полосы аэродромов, нефтяная пленка на воде. При боль­ших неровностях тон зависит от характера шероховатости поверх­ности, например высоты и структуры растительного покрова, волнения на море. Снимки, полученные при различных сочетани­ях поляризации излучаемого и регистрируемого радиолокацион­ного сигнала - горизонтальной (Н) и вертикальной (V) - от­крывают дополнительные возможности дешифрирования. При этом поляризации типа НН, VV лучше выявляют объекты, имеющие гладкую поверхность, характеризующиеся однократным отраже­нием (например, спокойная вода), а типа HV, VH — объекты, вызывающие многократное отражение сигнала (например, ред­колесья). На интенсивность отраженного радиосигнала влияет со­держание воды, поэтому яркость изображения различна для сухо­го и тающего снега, сухих и влажных почв, сочной и высохшей растительности. Кроме того, длинноволновое радиоизлучение обладает свойством подповерхностного проникновения, поэтому на снимках аридных районов под пла­щом сухих рыхлых грунтов, например песка, могут отображаться разным тоном геологические структуры или линзы грунтовых вод.

Генерализация изображения на аэрокосмических снимках.Если последовательно рассматривать ряд разномасштабных снимков (или снимков с разным пространственным разрешением) одной и той же местности, можно заметить, что при переходе к более мелким масштабам не только уменьшается изображение объектов и обоб­щаются их детали, но происходит и более сложная перестройка всего аэрокосмического изображения, его рисунка. Многие черты изображения земной поверхности освобождаются от частностей, и в то же время некоторые разрозненные детали объединяются в единое целое. Такое преобразование изображения получило на­звание аэрокосмической генерализации, которую нередко называют также естественной, дистанционной, фотографической, оптической.

Под аэрокосмической генерализацией следует понимать зако­номерные особенности воспроизведения на аэрокосмических сним­ках различных объектов местности (обобщение пространственно-яркостных и цветовых характеристик изображения), которые обус­ловлены съемочной аппаратурой, параметрами и оптико-метео­рологическими условиями съемки. В отличие от картографической генерализации управляющее воздействие на аэрокосмическую ге­нерализацию может быть лишь опосредованным, путем выбора средств, параметров и времени съемки. Вообще правильней гово­рить не о генерализации, а о генерализованности изображения аэрокосмических снимков. Генерализованность изображения — важнейшее свойство аэрокосмического снимка, существенно вли­яющее на его информативность.

Закономерности аэрокосмической генерализации. На особенно­сти воспроизведения объектов при изменении разрешения и мас­штаба снимков влияет их форма и контраст с окружающим фо­ном. Происходит упрощение формы, обобщение тонов и цветов, обеднение цветовой палитры; черные и белые тона заменяются менее контрастными, причем это изменение происходит тем быст­рее, чем мельче контуры и меньше контраст изображения. Вытя­нутые контуры превращаются в линии, а округлые — в точки. По-разному обобщаются линейные, размытые (диффузные) и мо­заичные границы: линейные упрощаются и спрямляются; раз­мытые становятся контрастными и приближаются к линейным; мозаичные, в зависимости от степени их дисперсности, либо сохраняют мозаичность при укрупнении пятен, либо превраща­ются сначала в диффузные, а затем в линейные границы. Преоб­разование характера изображения границ приводит к измене­нию конфигурации и площадей контуров. Изображение различ­ных объектов реагирует на уменьшение масштаба по-разному: наименее чувствительны к нему линейные элементы изображе­ния, наиболее - компактные. Так, на космических снимках дос­таточно четко изображается дорожная сеть и неясно - населен­ные пункты.

При двухкратном изменении масштаба (разрешения) инфор­мативность снимков ощутимо не меняется, а при пятикратном — получаемая по разномасштабным снимкам информация сопоста­вима с трудом.

Уровни генерализации. Врезультате исследования закономерно­стей обобщения изображения на аэрокосмических снимках, име­ющих огромный диапазон масштабов (от 10-³ до 10-⁸), обнаруже­но существование узловых точек перестройки изображения. При переходе от крупных масштабов к мелким, от аэроснимков к кос­мическим снимкам при непрерывной потере деталей изображения происходит скачкообразная перестройка его рисунка. В этих узло­вых точках исчезает изображение одних объектов, но проявляется изображение других, более высокого иерархического уровня и больших размеров; сменяются основные компоненты, формиру­ющие рисунок изображения: растительность — рельефом, а затем элементами гидрографии. В соответствии с этим обычно выделяют 5 уровней генерализации - от детального до глобального, которые сменяют один другой при изменении масштаба в 3 - 4 раза.

Для каждого уровня характерна максимальная дешифрируемость определенных объектов; поэтому по снимкам разного уровня ге­нерализации решаются различные задачи. Так, для изучения по­верхностных структур используют снимки более детальные, мень­шего уровня генерализации, а наиболее глубинные структуры де­шифрируются по самым генерализованным снимкам, что воспри­нимается как «просвечивание» глубинных структур, которое иногда называют «рентгеноскопичностью».

Важно, что благодаря исчезновению мелких деталей на генера­лизованном изображении космических снимков проявляются не­которые объекты, не видимые на крупномасштабных материалах. Например, космические снимки позволили открыть огромные по протяженности песчаные дюны — сэфы — в пустынях Африки и Аравии. Прежнее представление об эоловом рельефе этих районов давали отображавшиеся на аэроснимках небольшие эоловые фор­мы, которые, как оказалось, осложняют гигантские формы со­вершенно иного простирания, остававшиеся незамеченными ине отображенные на картах.

Значение аэрокосмической генерализации. Генерализация изоб­ражения на аэрокосмических снимках играет и положительную, и отрицательную роль. С одной стороны, сильное обобщение изоб­ражения уменьшает возможности точного и детального картогра­фирования по космическим снимкам. Поэтому, например, для топографического картографирования стремятся повысить разре­шение съемочных систем, сделать снимки максимально деталь­ными.

Но с другой стороны, генерализованность изображения кос­мических снимков - их достоинство. Прежде всего генерализованность изображения позволяет непосредственно составлять по космическим снимкам тематические карты в средних и мелких масштабах без предварительного крупномасштабного картографи­рования и трудоемкого перехода к мелким масштабам. Не менее важно, что отображение на космических снимках геосистем с оп­ределенного таксономического уровня дает возможность изучать их главные свойства. Например, на космических снимках с около­земных орбит не воспроизводится низший, фациальный уровень ландшафтов, а отображается уровень урочищ — основной струк-туроформирующий ландшафтный уровень. Это свойство снимков оказывается географически важным, поскольку на снимках раз­ного уровня генерализации отображаются и различные иерархи­ческие уровни организации геосистем, а значит, может быть про­слежена их многоуровневая иерархическая структура.