Spis treści

Słowo wstępne .................................... 9

Część I — POZYSKIWANIE DANYCH ..................... 11

Rozdział 1: Podstawy ................................ .-

1.1. Promieniowanie elektromagnetyczne — informacje ogólne......... 13

1.1.1. Promieniowanie elektromagnetyczne — opis falowy i fotonowy . 13

1.1.2. Wybrane zagadnienia z teorii promieniowania............ 15

1.1.3. Zasięgi spektralne stosowane w teledetekcji i wpływ atmosfery ziemskiej na energię promieniowania ................... 20

1.2. Formowanie i zapis obrazu........................... 25

1.2.1. Funkcje zapisu informacji....................... 25

1.2.2. Formowanie i rejestracja obrazów ".................. 26

1.2.2.1. Informacje wstępne o formowaniu obrazów........ 26

1.2.2.2. Formowanie obrazów.................... 29

1.2.2.3. Wykrywanie i rejestrowanie obrazów ........... 30

1.2.2.4. Transformacja Fouriera ................... 34

1.2.3. Jakość obrazu.............................. 38

1.2.3.1. Kontrast i modulacja .................... 38

1.2.3.2. Funkcja przenoszenia układu optycznego OTF i funkcja przc-

, noszenia modulacji MTF.................. 39

1.2.4. Skanery — charakterystyka ogólna.................. 41

Rozdział 2: Satelity meteorologiczne i gospodarcze............... .„

2.1. Satelity meteorologiczne ............................ 47

2.1.1. Wokólbicgunowc i gcosynchronicznc satelity meteorologiczne ... 47

2.1.2. Satelity TIROS - N/NOAA...................... 49

2.2. Satelity gospodarcze .............................. 53

2.2.1. Pierwsze obrazy z przestrzeni kosmicznej i sposoby przesyłania zarc-jcslrowanych danych na Ziemię ................... 53

2.2.2. Saiclita LANDSAT........................... 54

2.2.3. Satelita SEASAT............................ 59

2.2.4. Satelita SPOT.............................. 60

2.2.5. Prom kosmiczny ............................ 64

Rozdział 3: Fotografia w teledetekcji....................... 67

3.1. Sensory fofograficzne w teledetekcji ..................... 67

3.1.1. Informacje wstępne........................... 67

3.1.2. Tworzenie barw............................. 68

3.1.3. Rodzaje materiałów fotograficznych ................. 70

3.1.4. Fotografia satelitarna.......................... 72

3.2. Fotografia spektrostrefowa ........................... 75

3.2.1. Materiały spcktroslrcfowc....................... 75

3.2.2. Przykład wykorzystania fotografii spcktroslrcfowcj w leśnictwie . 76

3.3. Fotografia wiclospcklralna ........................... 78

Rozdział 4: Pozyskiwanie niefotograficznych danych teledetekcyjnych w zakresie

promieniowania widzialnego i podczerwieni ............ 82

4.1. Charakterystyka obrazów cyfrowych...................... 82

4.2. Skanery oplyczno-mechaniczne ........................ 84

4.2.1. Wielospektralny skaner MSS ..................... 84

4.2.2. Skaner Themalic Mappcr (TM).................... 88

4.3. Skanery elcktrooptyczne ............................ 89

4.3.1. Skaner clcktrooptyczny — charakterystyka ogólna ......... 89

4.3.2. Skanery HRV.............................. 95

4.3.3. Kamery CCD — elektrooptyczne skanery powierzchniowe .... 98

4.3.3.1. Działanie kamer CCD ................... 98

4.3.3.2. Niektóre parametry kamer CCD i fotodigitalizator .... 102

4.4. Skanery lotnicze................................. 104

4.4.1. Charakterystyka skanerów lotniczych................. 104

4.4.2. Skaner wielospektralny Dacdalus................... 104

4.4.3. Skaner termalny AGA Tcrmoprofilc THP-1 ............. 105

4.4.4. Termalny skaner wielospektralny T1MS ............... 109

4.5. Telewizyjne pozyskiwanie obrazów ...................... 109

4.5.1. Systemy telewizyjne.......................... 109

4.5.2. Obraz telewizyjny ............................ 110

4.5.3. Kamery RBV satelitów LANDSAT.................. 116

4.5.4. Kamera termowizyjna ......................... 117

Rozdział 5: Pozyskiwanie niefotograficznych danych leledetekcyjnych w zakresie

mikrofal ................................. 120

5.1. Radiometry mikrofalowe ............................ 120

5.2. Obrazy radarowe SLAR i SAR ........................ 122

5.2.1. Zobrazowanie radarowe ........................ 122

5.2.2. Radar bocznego wybierania SLAR.................. 125

5.2.3. Charakterystyka obrazów i niektórych systemów SLAR ...... 127

5.2.4. Dopplcrowski radar z antena syntetyzowana (SAR)......... 130

5.2.5. Parametry niektórych systemów SAR (satelitarnych i lotniczych) . 132

5.2.5.1. SAR na satelicie SEASAT................. 132

5.2.5.2. Radiolokator obrazowy SIR ................ 135

5.2.5.3. Parametry SAR-u samolotowego.............. 136

5.2.6. Zniekształcenia obrazów SAR .................... 136

Część H — PRZETWARZANIE DANYCH ................... 139

Rozdział 6: Komputery cyfrowe do przetwarzania obrazów teledetekcyjnych 141

6.1. Zasadnicze informacje o komputerze i technice komputerowej....... 142

6.1.1. System dwójkowy, kody i pamięć komputera............ 142

6.1.2. Gromadzenie i dostępność cyfrowych danych tclcdclekcyjnych . . 146

6.1.3. Komunikacja pomiędzy urządzeniami komputera .......... 148

6.2. Komputerowe systemy obrazowania...................... 150

6.2.1. Systemy kolorowych monitorów ekranowych ............ 150

6.2.2. Systemy wydruku ........................... 159

6.3. Oprogramowanie do przetwarzania obrazów cyfrowych........... 160

6.3.1. System operacyjny........................... 160

6.3.2. Programy aplikacyjne ......................... 162

6.4. Formaty danych dla cyfrowych obrazów satelitarnych............ 163

Rozdział 7: Korekcja obrazów cyfrowych .................... 169

7.1. Źródła zniekształceń radiometrycznych i geometrycznych ......... 169

7.1.1. Źródła i usuwanie zniekształceń radiometrycznych......... 169

7.1.2. Przyczyny deformacji geometrycznych................ 173

7.2. Korekcja zniekształceń geometrycznych.................... 179

7.2.1. Charakterystyka metod korekcji obrazów skanerowych....... 179

7.2.2. Metody nieparametryczne ....................... 181

7.2.3. Metody parametryczne......................... 183

7.2.4. Metody przetwarzania różniczkowego ................ 185

Rozdział 8: Przetwarzanie obrazu cyfrowego .................. 188

8.1. Histogram obrazu................................ 189

8.1.1. Istota histogramu obrazu........................ 189

8.1.2. Zasada modyfikacji histogramu.................... 191

8.2. Wzmacnianie obrazu z jednego kanału spektralnego (przekształcenie histogramu) ........................................ 193

8.2.1. Tablice przeglądowe i liniowe rozciągnięcie kontrastu ....... 193

8.2.2. Wyrównujące rozciągnięcie histogramu................ 195

8.2.3. Kwantowanie.............................. 197

8.2.4. Progowanie............................... 198

8.3. Techniki filtracyjne wzmacniania obrazu z jednego kanału spektralnego . . 199

8.3.1. Filtrowanie przestrzenne i rodzaje filtrów .............. 200

8.3.2. Wykrywanie i wzmacnianie linii krawędziowych .......... 203

8.3.3. Usuwanie szumów........................... 205

8.4. Przekształcenia (kompresja) obrazu wiclospcklralncgo............ 207

8.4.1. Macierz kowariancyjna i główne składowe przekształcenia .... 207

8.4.2. Przykład obliczeniowy usunięcia korelacji z obrazu wiclospcklralncgo 212

8.4.3. Barwne przetwarzanie obrazów.................... 217

8.4.3.1. Widzenie u człowieka.................... 217

8.4.3.2. Kompozycje barwne..................... 218

8.4.3.3. Pscudokolorowanie ..................... 220

8.4.3.4. Przekształcenie barw .................... 220

8.5. Systemy przetwarzania i analizy obrazów cyfrowych ............ 223

Rozdział 9: Klasyfikacja obrazów cyfrowych.................. 226

9.1. Klasyfikacja obrazów cyfrowych — informacje wstępne .......... 226

9.1.1. Informacje wprowadzające....................... 226

9.1.2. Matematyczne podstawy klasyfikacji obrazów............ 228

9.1.3. Klasyfikacja według najbliższej odległości.............. 234

9.2. Nadzorowana i nicnadzorowana klasyfikacja obrazów cyfrowych ..... 235

9.2.1. Klasyfikacja nadzorowana....................... 235

9.2.2. Klasyfikacja nienadzorowana ..................... 241

Rozdział 10: Przetwarzanie zdjęć i obrazów analogowych........... 245

10.1. Instrumentarium do opracowania zdjęć i obrazów analogowych ...... 245

10.1.1. Uwagi wstępne o przetwarzaniu zdjęć i obrazów analogowych . . 245

10.1.2. Przyrządy do wizualnej analizy obrazów............... 246

10.1.2.1. Przeglądarka MPS-4..................... 247

10.1.2.2. Przeglądarki AC-70 i AC-90B ............... 249

10.1.2.3. Przetwornik MCDS 4200 EP................ 249

10.1.2.4. Przetwornik PHOTOMATION P 1700........... 250

10.2. Przetwarzanie różniczkowe obrazów cyfrowych ............... 251

Rozdział 11: Interpretacja obrazów cyfrowych ................. 257

11 1. Rodzaje zobrazowań i zadania interpretacji.................. 257

11.1.1. Zadania interpretacji wykorzystującej obrazy cyfrowe ....... 257

11.1.2. Postać obrazów dla celów interpretacyjnych............. 258

11.2. Przetwarzanie wielospcktralncgo obrazu cyfrowego dla fotointerpretacji wizualnej ....................................... 260

11.3. Spektralne rozpoznawanie obrazów ...................... 261

Rozdział 12: Teledetekcja i geograficzny system informacyjny ........ 265

12.1. Wzajemne oddziaływanie GIS i systemów tclcdctckcyjnch......... 265

12.2. Geograficzny System Informacyjny GIS ................... 267

12.2.1. Źródła bazy danych GIS ....................... 267

12.2.2. Składowe GIS ............................. 267

12.2.3. Kodowanie danych GIS ........................ 268

12.2.3.1. Kodowanie wektorowe (poligonowe) ........... 268

12.2.3.2. Kodowanie topologiczne .................. 271

12.2.3.3. Kodowanie rastrowe..................... 271

12.2.3.4. Manualne i automatycznw sposoby kodowania...... 276

12.2.4. Zarządzanie bazą danych ....................... 278

12.2.5. Manipulowanie danymi ........................ 279

12.2.6. Dane wyjściowe opracowań GIS................... 288

12.2.7. Zestawienie cech stanowiska roboczego 1/RAS 32 służącego do redagowania i obrazowania danych rastrowych............ 289

12.3. Budowa pakietu GIS z wykorzystaniem komputerów personalnych np. IBM PC/AT...................................... 290

Źródła................................. 293

Skorowidz......................... 295

Często używane w teledetekcji jednostki SI ................... 302

Słowo wstępne

Międzynarodowe Towaizyslwo Fotogrametrii i Teledetekcji w zaktualizowanym na XVI. Kongresie w Kioto (1988 r.) statucie podaje następującą łączną definicję fotogrametrii i teledetekcji: „(•••) jest to dział nauk technicznych zajmujących się pozyskiwaniem wiarygodnych informacji o obiektach fizycznych i ich otoczeniu droga rejestracji, pomiaru i interpretacji obrazów lub ich reprezentacji cyfrowych uzyskiwanych dzięki sensorom* nie będącym w bezpośrednim kontakcie z tymi obicklami".

Teledetekcja środowiska geograficznego polega na zdalnym pomiarze cech spektralnych powierzchni ziemi i atmosfery ziemskiej. Rejeslracji dokonuje się przyrządami przenoszonymi przez satelity lub samoloty. Pomiary takie pozwalają wnioskować o istocie i rodzaju pokrycia terenu oraz zachodzących na nim zjawiskach, lub też badać stan mórz i oceanów.

Skrypt obejmuje podstawowe informacje z zakresu teledetekcji. Jest przeznaczony dla studentów wydziałów geodezyjnych, ale może być przydatny również studentom takich specjalności, jak: inżynieria środowiska, ekologia, geografia, geologia, rolnictwo i leśnictwo. Skrypt składa się z dwóch części: Część 1 — Pozyskiwanie danych, Część 2 — Przetwarzanie danych. Marginesowo potraktowano — w przedostatnim krótkim rozdziale — trzecia część teledetekcji, tj. interpretację danych. Autor uważa bowiem, że interpretację danych tclcdetc-kcyjnych powinny przeprowadzać osoby zajmujące się zawodowo poszczególnymi dziedzinami technicznymi lub gospodarczymi (rolnicy, leśnicy, urbaniści i planiści, ekologowie, archeolodzy, specjaliści z dziedziny ochrony środowiska i przedstawiciele innych dyscyplin).

Najwięcej uwagi w pierwszej części skryplu poświęcono teledetekcji satclilamcj, znacznie mniej teledetekcji lotniczej, gdyż studenci wydziałów geodezyjnych sq zaznajamiani z elementami teledetekcji lotniczej w ramach fotogrametrii (podstawy fotografii, fotografia lotnicza, pomiary i interpretacja zdjęć).

Obecnie można w kraju zauważyć łatwiejszy dostęp do satelitarnych i lotniczych obrazów tclcdelckcyjnch w postaci danych cyfrowych. Dlatego w drugiej czcs"ci skryptu podano wstępne informacje o wykorzystaniu technik cyfrowego przetwarzania danych do zobrazowań tcledetckcyjnych. W części lej autor usiłował tak przedstawić zagadnienia komputerowego przetwarzania obrazów, aby były zrozumiałe nie tylko dla specjalistów z dziedziny analizy obrazów cyfrowych. Niemniej jest to skrypt dla studentów dyscyplin inżynierskich, zaznajomionych z rachunkiem wyrównawczym, wektorowym i macierzowym. W skrypcie omówiono różne metody pozyskiwania danych wraz z opisem przyrządów służących do tego celu. Opisano formowanie i zapis obrazu przedstawionego powierzchniowym dwuwymiarowym rozkładem szarości (tonów) oraz w postaci widma częstotliwości przestrzennych (w postaci obrazu fourierowskiego). Podano zasady komputerowego przetwarzania obrazów cyfrowych, ich wstępnego poprawiania, uwydatniania (ulepszenia) kontrastu, kompresji, filtrowania, klasyfikacji i rozpoznawania.

Zbigniew Sitek