CC BY
27
УДК 630*5:528.871 Доц. С.1. Миклуш, канд. с.-г. наук;
acnip. С.А. Гаврилюк - НЛТУ Украти, м. Льв1в
ШФОРМАТИВШСТЬ КАНАЛ1В КОСМ1ЧНИХ ЗН1МК1В LANDSAT-7 ETM+ ДЛЯ ДЕШИФРУВАННЯ РОСЛИННОСТ1
Присвячено визначенню найiнформативнiших каналiв для супутникових зшм-KiB Landsat-7 ETM+. Дослiдження шформативних комбiнацiй каналiв проведено на 0CH0Bi восьми космiчних знiмкiв шляхом кореляцшного аналiзу мiж каналами зшм-KiB. Проаналiзовано представлення комбiнацiй каналiв у формi RGB.
Ключов1 слова: дистанцшне зондування Землi, оптимальний iндекс-фактор, коефщент кореляцп, найiнформативнiша комбiнацiя каналiв.
Assist. prof. S.I. Myklush; post-graduate S.A. Havryluyk - NUFWT
of Ukraine, L'viv
The self-descriptiveness of satellite data channels of Landsat-7 ETM+ for interpretation of vegetation
This article considers the definition maximize "information" content of channels for satellite data Landsat-7 ETM+. It was lead experiment of definition maximize "information" content of channels using eight satellite data using correlation analysis between channels of satellite image. It was analyzed the presentation of combination of channels at RGB form.
Keywords: remote sensing, optimum index factor (OIF), correlation coefficient, maximize information content of channels.
Сучасний розвиток метод1в дистанцшного зондування Земл1 (ДЗЗ) дае змогу широко використовувати дат супутникового зшмання у багатьох сферах, зокрема у астрокосмоф1зичних та медико-бюлопчних дослщженнях, радюзв'яз-ку та телебаченш, нав^ацн, геодезичних вим1рюваннях, картографуванш та вивченш природних ресуршв, метеоролопчному прогнозуванш, екологн навко-лишнього середовища i т.д. [5]. Такий широкий спектр застосування вказуе на важливють ДЗЗ та необхщшсть його подальшого вивчення. ДЗЗ (Remote Sensing) визначають як процес отримання даних про об'ект зондування на вiдстанi без безпосереднього контакту з об'ектом з метою вивчення його ^зичного, ге-олопчного, бiологiчного та iншого) стану [5]. У свт данi ДЗЗ найширше вико-ристовуються у лiсовiй та заповiднiй справi, рибному господарствi, екологп [3].
Щорiчно зростае використання космiчних зшмюв як засобу отримання шформаци. На вщмшу вiд аерофотознiмкiв, якi найчаспше дешифруються Bi3y-ально, що не виключае суб'ективного чинника, супутниковi знiмки, зазвичай, завдяки розвитку комп'ютерних технологiй дешифруються в автоматичному ре-жимi. На основi космiчних знiмкiв можна вирiшувати наступнi питання [1]:
• оперативну оцшку ситуаци в режим1 реального часу для прийняття ршень;
• мотторинг територи для поточного та перспективного планування;
• ощнку довгострокових процешв i визначення глобальних тенденцш.
Важливим для вирiшення конкретних завдань з використанням даних ДЗЗ е вибiр вiдповiдних супутникових знiмкiв. Сучасне рiзноманiття космiчних знiмкiв мае широкий спектр характеристик. Роздшьна здатнiсть !х варiюе вiд долей метра до кшькох кiлометрiв. Спектральнi яскравостi також мають досить широкi межi. Так, космiчнi знiмки Landsat-7 е 8-б^ними i мають розмах спек-тральних характеристик вiд 0 до 255. Цша знiмкiв варiюе залежно вщ актуаль-ностi та роздшьно! здатност космiчних знiмкiв. Сьогоднi широке коло корис-тувачiв може отримати безкоштовно супутниковi знiмки кiлькарiчно! давности.
Як вщомо, найширше застосування мають даш супутникового зонду-вання, що надходять у растровому форматi. Рiзнi зшмальш системи мають певну кiлькiсть каналiв. Розрiзняють знiмки багатоспектральнi або мультис-пектральнi з кiлькiстю каналiв вщ 3 до 10 (до них належать ABIES 1, OrbVIEW 3 та 4, SPOT-5, LANDSAT, Quick Bird-2 та iншi), гшерспектральш - бшь-ше 10 каналiв (XSTAR, NEMO, OrbVIEW-4 та iн.), панхроматичнi (EROS A, LANDSAT-7 ETM+, IRS, Iconos, SPOT та ш.) та радарт (ALOS-2, Phleades, RADAR-1 та iн.) [5]. Вiзуальне представлення растрових даних космiчних знiмкiв можливе або у вщтшках сiрого кольору, або у поеднанш трьох основ-них кольорiв: червоного, зеленого та синього (RGB - red, green, blue). Тому при рiзних комбшащях каналiв однi i тi ж об'екти мають iнший колiр. Для ус-пiшного вiзуального дешифрування за космiчними знiмками природних об,ектiв (лiсовi масиви, водойми, поля та ш.) важливо, щоб колiр об'екта на зшмку вiдповiдав натурному.
Як вщомо, вiзуальне дешифрування використовуеться для виршення загальних завдань i не дае змогу повною мiрою вирiшити бшьш детальнi. Тому, для забезпечення достовiрного дешифрування рiзних об,ектiв земно! по-верхнi при мiнiмальних затратах часу та кош^в, важливо використати до-цiльне поеднання каналiв матерiалiв знiмання.
Метою дослiджень е визначення нашнформатившших комбiнацiй кана-лiв для дешифрування деяких природних об'екпв земно! поверхш. Дослiджен-ня проводилися на основi восьми знiмкiв Landsat-7 ETM+ на територш Заходу Укра!ни. Космiчнi знiмки зробленi у вегетацiйний перюд з 1998 до 2002 роки.
Супутникова система Landsat-7 належить до типу сенсор у поперечному напрямку [8]. Космiчнi зшмки Landsat-7 ETM+ мають 9 каналiв, з них 6 мультиспектральнi (з 1 до 5 та 7 каналу) з роздшьною здатшстю 30 м, один панхроматичний з роздшьною здатшстю 15 м та 2 термальш канали (61 та 62) з роздшьною здатшстю 60 м. Основш характеристики зшмальних систем Landsat наведено у табл. 1.
Табл. 1. Типи камер та спектральна роздтьна здатшсть зшмалмип системы Landsat
Тип камери & ETM+1 ETM+
Канали 1 2 3 4 5 6 (терм.)2 7 8 (pan)3
Спектральна роз-дшьна здатнiсть, пм 0,450,52 0,520,60 0,630,69 0,760,90 1,551,75 10,4212,50 2,082,35 0,52-0,9
Зони випромшю-вання4 синя зелена чер-вона ближ-ня 1Ч серед-ня 1Ч - серед-ня 1Ч -
Розмiр пiкселя, м 30 30 30 30 30 120 (ETM+ 60) 30 15
Примггка: TM - Thematic Mapper (тематичне картування), ETM - Enhanced Thematic Mapper (покращений BapiaHT тематичного картування); 2 - шостий термаль-ний канал роздшений на два; 3 - панхроматичний канал; 4 - даш за [7, с. 20]
Дослщжувались комбшаци канал1в з 30-метровою роздшьною здатшс-тю. Панхроматичний канал, зазвичай, використовують для покращення прос-торово! роздшьно! здатност зшмка р1зними методами (принципових компонент, мультиплжативний, Бровея та ш.). Зони випромшювання для термального та панхроматичного канал1в не представлено, оскшьки вони перекрива-ють одразу кшька зон спектру. В шших каналах теж е певне накладання зон випромшювання. Завдяки фшьтраци випромшювання з1 зшмально! системи отримують даш на одш i т ж об'екти в р1зних спектрах. Вщповщно, за одним каналом достовiрно можна дешифрувати однi об'екти, за iншим - шшь
Кольорове представлення супутникових зтмюв можливе у трьох ос-новних кольорах, рiзноманiтнi поеднання яких дають весь спектр кольорiв, якi бачить людина, тому i комбшаци каналiв подаються у трьох кольорах.
Кшьюсна оцiнка iнформативностi поеднання трьох каналiв була зап-ропонована Chavez та ш. [8, с. 98]. Ощнка iнформативностi проводиться на основi оптимального шдекс-фактора (OIF - optimum index factor), який зале-жить вщ стандартного вiдхилення спектральних характеристик кожного каналу та коефщента кореляци мiж рiзними каналами. OIF для комбшаци ка-налiв i, j,k обчислюеться за формулою:
OIF
Si + Sj + Sk
+ т +
rjk
де: Si,Sj,Sk - стандартне вiдхилення спектрально! яскравостi каналiв i, j та k
вщповщно;
, Щ
rjk
- коефщенти кореляци мiж каналами.
Чим бшьше значення OIF, тим iнформативнiсть комбшаци каналiв ви-ща. Як видно з формули, для визначення бшьш шформативних каналiв, необ-хiдно, щоб стандартне вiдхилення було якомога бшьшим, а коефщент кореляци - меншим. Збiльшення величини стандартного вдаилення можна досяг-ти шляхом перетворення каналiв з нижчо! бiтностi, у вишу. Так, розмах спектральних яскравостей 8-бггного зшмка становить 256, тодi як 16-бггного -4095. Вщповщно, стандартне вiдхилення такого каналу буде вищим, i вщпо-вщно бiльша ймовiрнiсть достовiрно видiлити рiзнi об'екти земно! поверхнi. Недолiком таких зтмюв е !х велика емюсть, яка не завжди виправдовуеться.
Величину стандартного вщхилення можна отримати в середовишд ERDAS Imagine 8.5 для кожного каналу окремо [2].
Важливим моментом в обчисленн величини стандартного вщхилення е те, що в обрахунок включен значення т.зв. буферно! зони знiмка (рис.), спектральна яскравють яко! рiвна нулю. Величина тако! зони залежить вiд вiдхилення напрямку зшмка вiд пiвнiчного напрямку. В середньому, для зтмюв, використаних для даних дослщжень, частка буферно! зони становить близько 20 % ^зуальна ощнка). Але оскiльки така зона присутня у вЫх каналах уЫх знiмкiв, то на загальну точнiсть визначення оптимального шдекс-фактора ютотного впливу не буде.
зншок
буферна зона
Рис. Схема космiчного зшмка Landsat-7 ETM+
Бшьше трудношдв становить обчислити кореляцш м1ж каналами. Для !! обчислення нами використано можливост програмного продукту Arc View та скрипт, адаптований до програмного продукту Arc View (модифжована вершя скрипта Kenneth R. McVay) [6]. Скрипт працюе з кшькома каналами одночасно у GRID-форматi. Результатом обчислень е текстовий файл з кореляцшною матрицею. Оскшьки космiчнi знiмки Landsat-7 ETM+ перебувають у растровому формап, тому за допомогою ArcView вони були переведет у GRID-формат.
Кореляцшний аналiз проведено на основi просто! лшшно! кореляци Пiрсона [2, 6].
Табл. 2. Коеф^енти кореляци мiж каналами космiчного зшмка Landsat-7 ETM+
Кореляцшна матриця для зтмка p184r25 7 t2001071 7
Канали 80 70 62 61 50 40 30 20 10
80 1 0.890 0.956 0.961 0.952 0.985 0.938 0.975 0.971
70 0.890 1 0.895 0.893 0.977 0.849 0.957 0.935 0.917
62 0.956 0.895 1 0.999 0.945 0.943 0.936 0.968 0.977
61 0.961 0.893 0.999 1 0.945 0.948 0.940 0.972 0.983
50 0.952 0.977 0.945 0.945 1 0.929 0.965 0.970 0.957
40 0.985 0.849 0.943 0.948 0.929 1 0.897 0.951 0.950
30 0.938 0.957 0.936 0.940 0.965 0.897 1 0.984 0.974
20 0.975 0.935 0.968 0.972 0.970 0.951 0.984 1 0.995
10 0.971 0.917 0.977 0.983 0.957 0.950 0.974 0.995 1
Оскшьки корелящя обчислюеться мiж двома каналами, то незалежни-ми та залежними ознаками е спектральнi характеристики пiкселiв рiзних ка-налiв. У табл. 2 наведено коефщенти кореляци для одного iз використаних космiчних знiмкiв. Зв'язок мiж каналами космiчного знiмка прямий, тiсний та дуже тiсний, що вказуе на складшсть видiлення якогось одного нашнформа-тившшого каналу. Як уже зазначалося, чим бшьше абсолютне значення ко-
ефщента кореляци мiж каналами, тим менш придатш цi канали для достовiр-ного дешифрування певних ознак. Такi висою значення коефщента кореляци виникли завдяки включенню в розрахунок буферно! зони. Для шших космiч-них зтмюв результати аналогiчнi. Тому на основi формули, наведено! вище, проведена обрахунок найбшьш iнформативного поеднання каналiв за методикою СИауе2 та ш. [6]. Важливо вiдмiтити, що в обрахунок не включались 61, 62 та 80 канали зтмюв, оскшьки вони мають вщмшну вiд шших каналiв роздiльну здатнiсть.
Суму значень оптимального шдекс-фактора для рiзних комбшацш ка-налiв на основi 8 зшмюв ЬапёБа11-7 ЕТМ+ наведено у табл. 3. Найбшьшими сумарними значеннями характеризуются комбiнацi! каналiв: 4-5-7 (значення 386,532), 1-4-5 (374,388) та 3-4-5 (362,286). Це означае, що поеднання цих ка-налiв буде нашнформатившшим при дешифруванш космiчних знiмкiв.
Табл. 3. Сумарш значення оптимального шдекс-фактора для рЬних комбшацш каналiв
Комбша- Сумарне Комбшащя Сумарне Комбша- Сумарне Комбшащя Сумарне
ц1я канал1в значення каналв значення щя каналв значення каналв значення
ОШ (1/2/3)* 267,933 О1Б (2/3/4) 303,959 ОШ (3/4/5) 362,286 ОГР (4/5/7) 386,532
О1Б (1/2/4) 314,421 ОШ (2/3/5) 301,716 ОШ (3/4/7) 336,875
О1Б (1/2/5) 322,427 ОШ (2/3/7) 267,094 ОШ (3/5/7) 312,032
О1Б (1/2/7) 294,006 О1Б (2/4/5) 354,417
О1Б (1/3/4) 324,399 О1Б (2/4/7) 335,444
О1Б (1/3/5) 322,722 О!Б (2/5/7) 320,627
О1Б (1/3/7) 288,958
О1Б (1/4/5) 374,388
О1Б (1/4/7) 357,832
О!Б (1/5/7) 342,806
Примггка: * - номери канал1в, у випадку 10, 20 та 30.
О^м шформативносл, важливим показником для вiзуального дешифрування е колiр вiдображення об,ектiв при поеднаннi каналiв. Оскiльки на екранi монiтора кольори вщображаються у режимi ЯОБ, то одночасно можна задати кольори тшьки для трьох каналiв. Залежно вщ того, якi канали встановити для червоного, зеленого та синього кольорiв, вщображення об,ектiв буде вiдповiдно змшюватися. Так, якщо перебрати всi варiанти пред-ставлення комбiнацi! каналiв 4-5-7 у режимi ЯОБ (тобто 4 - червоний, 5 - зе-лений та 7 - синш), то певш категорi! земель будуть по^зному вiдображенi (табл. 4). Тшьки комбшащя каналiв 5-4-7 дае природш кольори. Якщо анало-гiчно проаналiзувати iншi комбiнацi! каналiв, то природш кольори дають комбiнацi! наступних каналiв: 5-4-1 та 5-4-3.
Згiдно з даними [4], при комбшаци каналiв 5-4-3 здорова рослиншсть виглядае яскраво зеленою, а грунтове вкриття - рожеве. Ця комбшащя дае можливють аналiзувати сiльськогосподарськi угiддя та широко використо-вуеться для вивчення рослинного покриву i для аналiзу люових насаджень, як i комбiнацiя каналiв 5-4-1. Комбiнацiя каналiв 5-4-7 не мютить жодного каналу у видимш частинi спектру, тому найширше використовуеться для аналiзу стану атмосфери. Крiм цього, !! успiшно можна застосовувати для аналiзу структури та вологост грунтiв.
Табл. 4. Основт характеристики рЬних munie земель при рЬному поеднант канаш 4-5-7
Поеднання каналiв Кольорова пал1тра основних категор1й земель
4-5-7 Л1с - рожевий, вода - чорна, поле зашяне - рожево-червоне, пар - го-лубий, населет пункти - синьо-голуб1
4-7-5 Л1с - вишневий, вода - чорна, поле зашяне - голубе, пар - червоний, населен1 пункти - зелено-с1р1
5-4-7 Л1с - зелений, вода - чорна, поле зашяне - салатове, пар - фюлето-вий, населет пункти - сине
5-7-4 Л1с - темно-фюлетовий, вода - чорна, поле зашяне - сине, пар - сала-товий, населен1 пункти - жовто-сит
7-4-5 Л1с - брудно-зелений, вода - чорна, поле зашяне - зелене, пар - фь олетово-рожевий, населен1 пункти - брудно-зелен1
7-5-4 Л1с - темно-син1й, вода - чорна, поле зашяне - сине, пар - жовтий, населет пункти - синьо-жовт!
Таким чином, проведет дослщження восьми космiчних зтмюв Land-sat-7 ETM+ вказують, що для дешифрування рослинностi нашнформативт-шими комбiнацiями канашв е 4-5-7, 1-4-5 та 3-4-5. Щ комбшаци каналiв мож-на використовувати для виршення багатьох практичних задач при дешифру-ваннi космiчних знiмкiв як вiзуально, так i автоматично.
Л1тература
1. Волошин В.И., Бушуев Е.И., Левенко А.С., Шапарь А.Г., Емец Н.А., Тяпкин О.К.
От оценки состояния природной среды методами дистанционного зондирования Земли к обеспечению устойчивого развития общества// Косм1чна наука i технология. - 2006, т.12, № 2/3. - С. 70-78.
2. Горошко М.П., Миклуш С.1., Хомюк П.Г. Бюметр1я: Навч. пос. - Льв1в: Камула,
2004. - 236 с.
3. Готинян В.С., Дронова 1.С. Деяю тенденци в дистанцшному зондуванш Земл1 (за за-руб1жними матер1алами)// Косм1чна наука i технология. - 2002, т.8 № 2/3. - С. 65-69.
4. Интерпретация комбинаций каналов данных Landsat TM/ ETM+. - 2005. - [Цит.
2005, 8 декабрь] - Доступен с: <http://www.gis-lab.info/qa/landsat-bandcomb.html>.
5. Лялько В.1., Попов М.О., Зубко В.П., Рябоконенко О.Д. Стан та перспективи роз-витку дистанцшних метод1в дослщження Земл1 в Укра1'ш. - [Цит. 2006, 8 люте] - Доступний з: <http://www. ecomm.kiev.ua/gis/yalta2004/statti/lj alko.doc>.
6. Расчет коэффициента линейной корреляции. - 2004. - [Цит. 2006, 8 декабрь] - Доступен с: <http://www.gis-lab.info/qa/correlation.html>.
7. Янутш Д. А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. - М.: Недра, 1992. - 240 с.
8. David S. Wilkie, John T. Finn. Remote Sensing Imagery for Natural Resources Monitoring: A Guide for First-Time Users. - New York: Columbia University Press, 1996. - 295 p.
УДК630*46/632.7 Acnip. I.I. Делеган -НЛТУ Украти,м. Льв1в
ПОШКОДЖЕННЯ ГЕОГРАФ1ЧНИХ КУЛЬТУР БУКА Л1СОВОГО ЧОРНИМ БЕРЕЗОВИМ ТРУБКОКРУТОМ
Наведеш результати ощнки ступеня ураження географ1чних культур бука люо-вого (Fagus silvatica L.) трубкокрутом березовим (Deporaus betulae L.).
Ключовi слова: бук люовий (Fagus silvatica L.), трубкокрут березовий (Deporaus betulae L.).
