Использование ПК envi для решения прикладных задач Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 528.852

О.Н. Колесникова

Компания «Совзонд», Москва

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПК ENVI ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ

Компания «Совзонд» в последнее время уверенно развивает направление проектной деятельности, стремясь предоставить заказчику наиболее оптимальное решение его задач - начиная от поставки специализированного программного обеспечения для обработки космических снимков вплоть до решения тематических задач в различных отраслях (картография, экология, геология, сельское и лесное хозяйство, телекоммуникации, муниципальное и городское управление, строительство, энергетика, нефтегазовая отрасль).

Наиболее важной и значимой задачей в картографии является получение источника достоверной и актуальной информации на территорию, подлежащую картографированию. Данные дистанционного зондирования Земли из космоса в настоящее время являются одним из источников такой информации. В мире уже успешно эксплуатируются десятки космических аппаратов (КА) ДЗЗ. В различных стадиях разработки находятся более 200 новых проектов по реализации перспективных возможностей наблюдения и съемки Земли из космоса. Основным преимуществом космических снимков, получаемых съемочной аппаратурой современных КА, является оперативность их получения и высокая экономическая эффективность при использовании.

Однако, поскольку данные снимки имеют достаточно сложную геометрию, задача их строгой фотограмметрической обработки с применением специальных алгоритмов геометрической коррекции становится достаточно актуальной для целей создания высокоточной картографической основы.

В отличие от цифровой фотограмметрической обработки традиционных аэрофотоснимков, полученных с помощью обычных фотокамер, где применяемые математические методы сформировались и успешно применяются достаточно давно, технология цифровой обработки космических снимков требует применения новых, существенно отличающихся математических моделей и методов обработки.

Алгоритмы фотограмметрической обработки, заложенные в ENVI, созданные с использованием моделей сенсоров, корректно описывающих процессы формирования обрабатываемого снимка, позволяют с использованием минимального количества опорных точек и вспомогательной информации в виде метаданных получать ортотрансформированные с максимально возможной точностью изображения, цифровую модель высот местности. Например, для ортотрансформирования изображений, получаемых с большинства современных аппаратов, достаточно использовать всего 5-8 опорных точек, а в случае обработки изображений, поставляемых с коэффициентами рационального многочлена (RPC), достаточно всего лишь одной-двух точек на снимок.

Программный комплекс ENVI позволяет осуществить все этапы технологической схемы обработки космических изображений: загрузка снимков и метаданных к ним (поддерживается более 100 форматов), радиометрическая коррекция изображения, работа с цифровой матрицей рельефа, ортотрансформирование изображений, работа с векторной информацией.

Основные преимущества построения технологических процессов обработки изображений на базе программного комплекса ENVI для задач картографирования:

- Полученные в результате фотограмметрической обработки ортофотопланы пригодны для обновления топографических карт масштаба 1:5000 и мельче;

- Созданные по ориентированным парам космических снимков модели рельефа местности могут быть использованы для обновления рельефа на топографических картах;

- Удобные алгоритмы

автоматической векторизации результатов классификации просто незаменимы при создании тематических карт;

- Дополнительный модуль SFE (Spatial Feature Extraction module) позволяет автоматизировать процесс дешифрирования космических снимков при создании топографических карт;

Использование программного

комплекса ENVI для обработки материалов космических съемок в технологии создания и обновления карт с использованием ДДЗЗ позволит

выполнять проекты с максимальным _ , „ „ _

~ „ Рис. 1. Гиперспектральный куб

удобством, в кратчайшие сроки и

экономически эффективно.

ENVI признан во всем мире как лидер в анализе мультиспектральных и гиперспектральных изображений.

Многие алгоритмы анализа изображения в программном комплексе ENVI были специально разработаны для обработки больших объемов информации, содержащихся в гиперспектральных снимках. Комбинации спектральных каналов помогают визуально дешифрировать различные типы изменений. Обычно при синтезировании каналов используются только три спектральные зоны. Сотни спектральных зон гиперспектрального снимка чрезвычайно трудно визуализировать, поэтому для отображения таких данных используют гиперспектральный куб.

ENVI содержит спектральные библиотеки и инструменты для выполнения спектрального и топографического анализа, анализа растительности и классификации изображений по следующим алгоритмам:

- K-means, Isodata;

- Способ параллелепипедов (Parallelepiped decision rule);

- Алгоритм минимального спектрального расстояния (Евклидова метрика, Minimum distance);

- Алгоритм расстояния Махаланобиса (Mahalanobis Distance);

- Способ максимального правдоподобия (Maximum likelihood);

- Классификация с помощью метода спектрального угла (Spectral Angle Mapper);

- Двоичное кодирование (Binary Encoding);

- Дерево принятия решений (Decision Tree);

- Нейронная сеть (Neural Network).

Например, с помощью алгоритма «Дерево принятия решений» (Decision Tree) возможен совместный анализ различных данных (цифровая модель рельефа DEM - высота, угол и направление уклона; гидрогеологические особенности - глубина залегания подземных вод, характер грунтов; особенности растительного покрова) для выделения районов, подверженных эрозионным процессам, пожароопасных участков.

Достоинством программы является наличие удобных алгоритмов автоматической векторизации результатов классификации, что особенно важно при оперативном анализе результатов в современных ГИС-пакетах.

Инструменты, работающие с “целыми” пикселами, включают как стандартные алгоритмы классификации с обучением, например, минимальное расстояние (Евклидова метрика) или способ максимального правдоподобия, так и алгоритмы, разработанные специально для анализа гиперспектральных данных, например, метод спектрального угла (SAM) и приспособление к спектральным особенностям (spectral feature fitting).

Ряд инструментов предназначен для субпиксельного анализа гиперспектральных данных:

SFF (spectral feature fitting) позволяет разделять материалы, образующие спектр пиксела, на основе характерных зон поглощения данного материала.

Субпиксельный анализ позволяет находить на снимке объекты (материалы), размер которых гораздо меньше размера пиксела. Алгоритмы субпиксельного анализа включают линейное спектральное несмешивание (linear spectral unmixing) и фильтр по эталонам (matched filtering). Оба эти алгоритма позволяют определять материалы, образующие спектр пиксела на основе эталонных спектральных кривых.

Отличительной особенностью программного комплекса ENVI является открытая архитектура и наличие языка программирования IDL (Interactive Data Language), с помощью которого можно существенно расширить функциональные возможности программы для решения специализированных задач: создавать собственные и автоматизировать существующие алгоритмы обработки данных и выполнять пакетную обработку данных. Открытая архитектура ENVI обеспечивает удобство обработки и предоставляет

пользователю возможность получить необходимую информацию быстро и просто.

В начале сентября вышла новая версия программного комплекса ENVI 4.3. В числе новых возможностей новой версии хотелось бы отметить:

- Появление принципиально нового инструмента ENVI Zoom, который на начальном этапе не будет включать всех возможностей ENVI, особенно по выполнению спектрального и мультиспектрального анализа, но впоследствии полностью его заменит. Этот инструмент появился вследствие проведенного маркетингового исследования пользователей сообщества ITT с учетом их пожеланий. ENVI Zoom будет иметь абсолютно новый интерфейс с расширенными возможностями по визуализации изображений, удобный файл и image-менеджер, удобную панель инструментов для интерактивного улучшения изображений и многое другое. Запуск ENVI Zoom и обработку данных можно будет произвести из ENVI 4.3, так же, как и запуск ENVI 4.3 и обработка возможны из ENVI Zoom;

- Поддержка данных с индийского спутника Cartosat-1: использование RPC полиномов рационального многочлена во время выполнения процедуры ортотрансформирования, а также создание цифровых моделей рельефа (ЦМР) и топокарт масштаба 1:10 000 с помощью модуля DEM, встроенного в ENVI;

- ENVI Spatial Feature Extraction Module (SFE) - новый модуль ENVI

для автоматического дешифрирования линейных и площадных объектов, который позволит автоматически определять и выделять линейные и площадные объекты (такие, как дороги, строения, водоемы, береговые линии,

сельскохозяйственные поля,

взлетно-посадочные полосы и др.) из изображений.

Программный комплекс ENVI 4.3 лицензирован ведущими операторами космических

данных, поэтому ENVI обеспечивает поддержку ДДЗ, полученных со спутников QuickBird, Ikonos, Orbview, Cartosat-1, Formosat-2, Resoursat, SPOT, IRS, Landsat и др. Также ENVI поддерживает широкий диапазон растровых и векторных форматов, таких, как ArcView, ArcInfo, MapInfo и многие другие.

В текущей версии ENVI включена поддержка для пяти дополнительных модулей: SFE, модуля для создания ЦМР (DEM), модуля атмосферной коррекции FLAASH, двух дополнительных модулей SARscape Basic и SARscape in SAR, предназначенных для обработки материалов радиолокационных съёмок, выполненных радарами с синтезированной апертурой (SAR), актуальность использования которых возрастает в связи с запуском в 2007 году группировки радарных спутников нового поколения:

TerraSAR-X, L и Cosmo-SkyMed 1-4. Данные, полученные с этих спутников, будут иметь разрешение не хуже 1 м с возможностью построения высокоточной ЦМР на основе интерферометрических изображений.

Модуль DEM предоставляет пользователям возможность создавать высокоточные ЦМР с использованием стереоизображений, полученных со спутников OuickBird, IKONOS, OrbView-3, Cartosat-1, Formosat-2, ASTER, SPOT 1-5 для ортотрансформирования, топографического анализа, трёхмерной визуализации и создания векторных карт.

С помощью модуля FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes) можно получать более точную информацию из изображений, полученных с любого мультиспектрального или гиперспектрального сенсора, регистрирующего электромагнитное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, включая сенсоры вертикального или наклонного визирования.

В заключение хотелось бы отметить, что диапазон решаемых задач с помощью ПК ENVI достаточно широк - ENVI объединяет все инструменты для выполнения работ разного уровня сложности: от ортотрансформирования и пространственной привязки изображения до получения необходимой информации и её интеграции с данными ГИС.

Все желающие могут пройти обучение в Центре обучения компании «Совзонд» по теме: «Использование ПК ENVI для анализа и обработки ДДЗЗ». В рамках тренинга рассматриваются вопросы геометрической и радиометрической коррекции данных дистанционного зондирования, возможности тематической обработки, спектрального анализа и анализа растительности с использованием вегетационных индексов, а также основы использования языка программирования IDL для расширения функциональных возможностей ENVI.

В ходе обучения слушатели получают уникальные учебно-методические пособия на русском языке, разработанные с учётом особенностей обработки данных в программном комплексе ENVI. Учебные пособия включают теоретический материал к каждому разделу, сборники упражнений и описание всех основных функций ПК ENVI. Обучение проводится с использованием текущей версии программного комплекса ENVI + IDL. По окончании обучения выдается сертификат корпорации ITT международного образца.

Кроме работы с программным комплексом ENVI, большое внимание уделяется обзору рынка существующих и перспективных космических аппаратов, перспективам развития отрасли ДЗЗ, вопросам дистанционного зондирования, современному фонду космических снимков и их сравнительным характеристикам (особое внимание уделяется снимкам высокого пространственного разрешения), геометрической и радиометрической коррекции космических снимков, тематическому дешифрированию и спектральному анализу данных.

В ближайшее время планируется новый трехдневный специализированный курс по обработке радарных данных в ПК ENVI с

использованием дополнительных модулей для обработки материалов радиолокационных съёмок, выполненных радарами с синтезированной апертурой (SAR) - SARscape Basic и SARscape InSAR.

Более подробно с программами курсов можно ознакомиться на сайте компании «Совзонд» http://www.sovzond.ru/edu/.

Компания «Совзонд» является эксклюзивным представителем корпорации ITT по распространению ПК ENVI на территории Росси и стран СНГ.

© О.Н. Колесникова, 2007