4.3. Материалы дистанционного зондирования

Одним из основных источников данных для ГИС являются материалы дистанционного зондирования. Они объединяют все типы данных, получаемых с носителей космического (пилотируемые орбитальные станции, корабли многоразового использования типа «Шаттл», автономные спутниковые съемочные системы т. п.) и авиационного базирования (самолеты, вертолеты и микроавиационные радиоуправляемые аппараты) и составляют значительную часть дистанционных данных (remotely sensed data) как антонима контактных (прежде всего, наземных) видов съемок, способов получения данных измерительными системами в условиях физического контакта с объектом съемки. К неконтактным (дистанционным) методам съемки, помимо аэрокосмических, относятся разнообразные методы морского (наводного) и наземного базирования, включая, например, фототеодолитную съемку, сейсмо-, электромагниторазведку и иные методы геофизического зондирования недр, гидроакустические съемки рельефа морского дна с помощью гидролокаторов бокового обзора, иные способы, основанные на реГИСтрации собственного или отраженного сигнала волновой природы.

Аэрофотосъемки регулярно выполняются в нашей стране с 1930-х гг., и за прошедший период накоплен фонд снимков, полностью покрывающих страну, а для многих районов – с многократным перекрытием, что особенно важно при изучении динамики объектов. Материалы аэрофотосъемки используются в основном для топографического картографирования страны, также широко применяются в геологии, лесном и сельском хозяйстве. Космические снимки начали поступать с 1960-х гг., и к настоящему времени их фонд исчисляется десятками миллионов [2].

Виды космических материалов разнообразны. Существует две технологии космических съемок: с использованием фотографических и сканерных систем.

4.4. Особенности программного обеспечения 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 [12]. 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) [3]. Далее для обозначения такой информации используется только аббревиатура ДДЗ.

Системы обработки ДДЗ долгое время развивались отдельно и почти независимо от ГИС. В 1970-е гг. и даже в начале 1980-х гг. основная деятельность по компьютерной обработке ДДЗ в мире была сосредоточена в ограниченном числе организаций. Как правило, это были либо 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. Предварительная обработка ДДЗ осуществлялась в производственных объемах, а тематическая носила характер научного эксперимента. При этом программное обеспечение имело черты уникальных комплексов, не предназначенных для широкого применения [3].

Однако большинство методов и приемов обработки изображений, которыми оперируют современные программы, были заложены 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 на совершенно другие классы компьютеров [3].

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 и Windows 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 различие заключается в специфике самих данных зондирования.

1. 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 × 60 км с размером пиксела 10 м на местности, имеет размер примерно 35 Мбайт, а серое 8-битовое изображение, полученное камерой МК-4, при 8-метровом 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.

2. 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.

3. 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 [3].

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 решена, например, фотограмметрическая система PНОТОMOD (ЗАО «Ракурс», г. Москва), обрабатывающая растры до 3 Гбайт [10]. Сегодня в эти размеры укладываются все ДДЗ, за исключением искусственно собранных мозаик из большого числа кадров. Мозаики 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.