Высшее профессиональное образование основы геоинформатики вдвух книгах

Вид материалаКнига

Содержание


Программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования
Erdas Imagine (ERDAS)
ER Mapper (Earth Resource Mapping)
Pci (easi/pace)
TNTmips (Microimages Inc.)
IDRISI (IDRISI Project, Clark University)
PHOTOMOD (Ракурс, Россия)
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   43
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 блестяще решена, например, фотограмметрическая система Photomod, обрабатывающая растры до 3 Гбайт. Сегодня в эти размеры укладываются все ДДЗ, за исключением искусствен­но собранных мозаик из большого числа кадров. Мозаики, впро­чем, 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

124

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.

Программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования

Сегодня существует несколько главных поставщиков мощных универсальных систем для работы с ДДЗ. Это ERDAS, резко преоб­ладающий на рынке США и являющийся мировым лидером по числу пользователей; австралийская компания Earth Resource Mapping (пакет ER Mapper), стремящаяся работать в геолого-гео­физическом секторе; канадская компания PCI, завоевавшая извес­тность благодаря активности в создании программного обеспече­ния для обработки радарных снимков; американская компания International Imagin Systems (Datron), создавшая пакет VPSTA и мощную фотограмметрическую разработку на его основе — PRPSM.

Для другого мирового лидера в области программного обеспе­чения — компании Intergraph — обработка ДДЗ является одним из многих развиваемых направлений, хотя фотограмметрия занима­ет достаточно важное место в спектре решений, предлагаемых Intergraph.

Достаточно широко известен в России пакет TNTmips (Micro-Images Inc.), использующийся, в частности, для создания дистан­ционных основ государственного геологического картирования ря­дом производственных объединений.

Достаточно широким набором алгоритмов обработки ДДЗ об­ладает программный пакет IDRISI for Windows.

Из российских разработок следует отметить фотограмметриче­ское программное обеспечение Photomod ЗАО «Ракурс», позво­ляющее не только получать прецизионные фотограмметрические данные, но и проводить визуальное дешифрирование изображе­ний (вектор поверх растра) на экране персонального компьютера в стереорежиме. Последнее особенно важно для России, где спе-циалисты-дешифровщики привыкли работать со стереоскопом, а Photomod позволяет перенести все наработанные навыки визу­ального дешифрирования на новую компьютерную основу. Спра-

125

ведливости ради следует отметить, что аналогичные возможности предоставляет программное обеспечение Softplotter и ряд про­дуктов корпорации Intergraph.

Остановимся на некоторых характеристиках перечисленных программных продуктов.

Erdas Imagine (ERDAS)

Текущая версия Erdas Imagine — 8.6, система работает под уп­равлением Windows NT, 2000 и на RISC/UNIX платформах (SUN, SGI, HP, DEC, IBM). Система модульная, число модулей различ­но на разных платформах (наибольшее на SUN и SGI). Характер­ной особенностью системы является то, что она стала практически стандартной средой разработчика для написания прикладного про­граммного обеспечения для обработки ДДЗ — многие фирмы, не только американские, оформляют свои разработки как модули рас­ширения системы Erdas Imagine. Пример тому — последние версии пакета по анализу разрывных нарушений по аэрокосмическим дан­ным LESSA (разработчик А. А. Златопольский, Россия).

Из стандартных модулей расширения следует отметить Vector (встроенное в систему Erdas Imagine подмножество ГИС ARC/INFO для рабочих станций), Radar, Image Catalog, Perspective View. В Vista имеются средства для просмотра снимков, импорта-экспорта, пре­образований изображения, выполняемых «на лету», а также сред­ства подготовки оформленных твердых копий и некоторые утили­ты. Production, помимо этого, содержит богатый набор средств для обработки изображения и пространственного анализа на базе растровой модели. Имеются процедуры классификаций, средства привязки и трансформирования изображений. Есть утилита для построения мозаики из нескольких изображений, сливающая их в один файл.

Для растра используется формат IMG, в котором хранятся как сам растр, так и сопровождающие его данные, включая сведения о картографической проекции, опорных точках, статистику. Фор­мат описан в документации, и имеются свободно распространяе­мые библиотеки для доступа к нему. Есть возможность импорти­ровать практически любую произвольную структуру растра с помощью функций импорта двоичного и ASCII-файлов общего вида (Generic binary loader, ASCII loader).

Erdas имеет несколько векторных форматов, в том числе вектор-но-топологический (покрытия ARC/INFO). Формат Annotation — векторный, не топологический, используется для создания анно­таций, зарамочного оформления для твердых копий и вообще для произвольной рисовки поверх растра, если не требуется ее исполь­зование в ГИС. Area of Interest («области интереса») — совершенно особый векторный формат, необходимый для задания границ рабо-

126

чих областей, поскольку в пакете обработка изображения может выполняться не только по всему полю снимка, но и в границах произвольной формы. Эти границы хранятся в «областях интереса» в реальных координатах. Все векторные форматы легко переходят друг в друга и не требуют процедуры импорта-экспорта.

В целом в пакете функции работы с векторной и растровой графикой (подмножества ARC/INFO и функции пространствен­ного моделирования) наиболее развиты из всех систем обработки ДДЗ. При этом пользователь может выбирать, как поступать с дан­ными, образующимися на промежуточных стадиях, — организо­вывать постоянные или временные файлы, либо использовать опе­ративную память.

В пакет встроен графический редактор алгоритмов (Spatial Modeler), который позволяет рисовать блок-схему алгоритма об­работки, интерактивно определяя в ней все наборы данных и фун­кции, дополняя комментариями, и затем запускать сконструиро­ванный алгоритм на выполнение. Из графического представления алгоритма можно сгенерировать скрипт на макроязыке SML (Spatial Modeling Language), одном из двух встроенных макроязыков Imagine, предназначенном для описания процедур обработки ра­стра. Другой макроязык — EML (ERDAS Macro Language) — слу­жит для организации пользовательского интерфейса (меню, диа­логовых окон). Алгоритмы обработки растра на языке SML могут вызываться из EML.

Модуль Virtual GIS (виртуальная ГИС) представляет собой передовой край развития ГИС-технологий и обработки ДДЗ. Идея проста: обрабатывая в реальном времени цифровую модель рель­ефа с наложенным на нее растровым изображением (снимком, картой), пользователь может «пролетать» над синтезированным, но вполне реалистичным перспективным изображением местнос­ти, меняя интерактивно и направление полета, и его скорость, и направление взгляда. Кроме этого, на рельеф можно наложить и векторные карты в формате ARC/INFO. На трехмерном изобра­жении с помощью специального курсора доступны как значения пикселей растра, так и атрибуты векторных данных ARC/INFO. Поскольку направление взгляда может меняться вплоть до надир-ного, отличие между плановым (картографическим) и перспек­тивным изображениями фактически исчезает, тем более что и на перспективном изображении можно проводить преобразования контраста и другую обработку.

Модуль OrthoMAX (OrthoBASE) — полнофункциональная фо­тограмметрическая система, включающая фототриангуляцию по блоку, стереорежим дисплея, автоматизированное и интерактив­ное построение цифровой модели рельефа (ЦМР) в виде растра или триангуляционной нерегулярной сети, редактирование ЦМР в стереорежиме, построение цифровых ортофотоизображений.

127

Из специальных модулей расширения следует упомянуть Subpixel Classifier, ATCOR2, Ebis, HRPT, MET.

Subpixel Classifier — модуль, реализующий специальные мето­ды классификации для многозональных снимков, позволяющие решать так называемую проблему смешанных пикселей.

Ebis — также специализированный модуль классификации, ис­пользующий текстурные признаки.

HRPT и МЕТ — модули, рассчитанные на работу с данными. AVHRR-HRPT со спутников NOAA и со снимками с метеороло­гических спутников низкого разрешения и позволяющие полнос­тью учитывать специфику этих данных.

ATVOR2 — модуль атмосферной радиометрической коррекции многозональных космических снимков.

Хорошо развитая работа с векторными данными в формате ARC/INFO и также богатые функции растрового моделирования и растровой ГИС позволяют рассматривать Erdas Imagine не толь­ко как систему обработки ДДЗ, но и как ГИС.

ER Mapper (Earth Resource Mapping)

Пакет ER Mapper является одной из наиболее функциональ­ных систем обработки ДДЗ и наиболее известных программных продуктов как в мире, так и в России (уступает только пакету ERDAS Imagine); работает на многих платформах — Windows 98, 2000, NT, RISC/UNIX (SUN, SGI, HP, DG, DEC, IBM).

ER Mapper рассчитан на применение во всех отраслях науки, техники и промышленности, где требуется обработка больших наборов геофизической и географической информации (конт­роль природных ресурсов, лесное хозяйство, информационное обеспечение управления землепользованием, разведка минераль­ных ресурсов, разведка и добыча нефти и газа). Каждая из при­кладных отраслей имеет свои особенности, которые учтены в пакете для получения полного и эффективного решения. Про­граммное обеспечение содержит библиотеку алгоритмов, необ­ходимых для обработки широкого спектра данных — от спутни­ковых съемок до сейсмических измерений. Имеется возможность модифицировать существующие алгоритмы или добавлять в биб­лиотеку новые.

В пакете применяется стандартный BIL-формат с внешним ASCII-заголовком. Этот формат позволяет использовать результа­ты работы совместно со многими ГИС и системами обработки изображений. Многие векторные форматы (включая DXF и DGN) используются без преобразований, другие импортируются во внут­ренний векторный формат ER Mapper. Покрытия ARC/INFO мо­гут визуализироваться, редактироваться и сохраняться непосред­ственно в пакете без установки ARC/INFO.

128

Наиболее интересной возможностью является реализация кон­цепции алгоритмов. Ее основная идея — уменьшить количество промежуточных файлов при сложной многоступенчатой обработ­ке снимков. Хранится в первую очередь схема обработки (алго­ритм), которую проще применить повторно, чем накапливать за­нимающие много места на диске результаты обработки и промежуточные файлы.

PCI (EASI/PACE)

PCI (EASI/PACE) — канадская компания, существующая с 1982 г. и бесспорно являющаяся одним из мировых лидеров в об­ласти программного обеспечения для обработки ДДЗ.

Основной полнофункциональный продукт EASI/PACE Image Processing Kit работает на большинстве UNIX-платформ (SUN, SGI, HP, IBM, DEC, DG, SCO-Intel), MS Windows 98, NT, Macintosh, VAx/VMS и OpenVMS.

В составе пакета модули ImageWorks, GCPWorks, Space, Kernel, Image Processing, Geometric Correction, Vector Utilities, GIS Links, Multilayer Modelling, Frequency Transforms, обеспечивающие гео­метрическую коррекцию, поддержку более 20 картографических проекций, атмосферную коррекцию, обработку стереопар, ана­лиз рельефа.

Обработка изображений заключается в сшивке растра, нало­жении, фильтрации, выделении границ, оттенении объектов и др. Модуль-пакет многоспектрального анализа включает распоз­навание объектов по уникальным интенсивностям спектра изоб­ражений.

Одной из наиболее интересных особенностей является концеп­ция GDB (Generic Database), позволяющая ряду программ пакета работать непосредственно с файлами внешних форматов, без их экспорта. При этом создается файл заголовка, содержащий дан­ные о размере изображения, числе зон съемки и т.п. В таком режи­ме доступны стандартные для ДДЗ форматы BSQ, BIP, BIL, а также TIFF, GRASS, ARC/INFO GRID, ERDAS. Подобным же образом реализован доступ и к некоторым векторным форматам: ARC/INFO Generate, shape-files, E00, DXF, DGN. Имеется внут­ренний формат для векторных данных.

TNTmips (Microimages Inc.)

TNTmips является пакетом обработки изображений, которому присущи черты ГИС, CAD и систем управления пространствен­ными базами данных.

TNTmips имеет доступ к некоторым внешним форматам данных, но большинство данных импортируется в собственный формат. Им-

Тикунов. кн. 2. 129

порт осуществляется из 58 различных растровых, векторных и CAD-форматов, включая покрытия ARC/INFO, форматы Generate и Interchange, AutoCAD DXF, design-файлы MicroStation и шейп-файлы ARC/INFO. Тридцать из этих форматов доступны для экспорта.

Достаточно легко обращаться с меню TNTmips для доступа и запуска различных функций обработки изображений. Некоторые операции (контрастирование и фильтрация) могут быть выполнены в памяти или режиме предварительного просмотра. Большинство операций требуют записи файла на диск. Вывод графики быстрый, и есть возможность остановки операции. Еще одно преимущество TNTmips — разнообразие наборов инструментов географической привязки и мозаики изображений. Многие из них особенно полезны для обработки материалов аэрофотосъемки с малых высот.

Интересно заметить, что большинство североафриканских стран с относительно плохой изученностью природных ресурсов исполь­зуют TNTmips как основной пакет по обработке данных зондиро­ваний.

Начиная с версии 4.9 продукт дополнен средствами корректи­ровки снимков с российских спутников.

VI2STA (DATRON/TRANSCO Inc. Imagin SystemsDivision — DTi International Imaging Systems)

VPSTA представляет собой пакет прикладных программ для обработки данных дистанционного зондирования. VPSTA создана для удовлетворения потребностей профессионалов в управлении ресурсами земли, метеорологии и экологическом мониторинге, землепользовании, медицине.

Имеется свыше 300 функций (алгоритмов), включая прецизи­онную фотограмметрию и орторектификацию, цифровые модели рельефа, улучшение изображения, кросскорреляцию, радио- и геометрическую коррекцию, классификации, пространственное моделирование, фильтрацию, работу с векторными данными, в том числе аннотирование и редактирование растровых и вектор­ных данных, наложенных на растровое изображение, поддержку ГИС, генерацию отчетов.

Имея 20-летний опыт в разработке и поддержке программного обеспечения, аппаратных средств и программно-аппаратных ком­плексов, компания DTi (Калифорния) разработала VPSTA специ­ально для достижения максимальной эффективности в обработке данных дистанционного зондирования на UNIX-платформах: Sun SPARCstation, Silicon Graphics, HP Apollo и UNIX (Solaris 2.x).

Имеется несколько модулей расширения, дополняющих фун­кции базового комплекта.

Форматы обмена данными: графические векторные — ARC/ INFO, AutoCAD, grph (собственный формат пакета), графические

130


растровые — Image (собственный формат), TIFF, ERDAS, AVHRR, MSS, DLG, TM и др. Поддерживается более 20 картографических проекций с возможностью их преобразования друг в друга. Интег­рация растр в вектор, вектор в растр и вектор поверх растра. Под­держка ввода со сканера, по растровой подложке, с дигитайзера, с GPS и с фотограмметрической станции (собственный модуль циф­ровой фотограмметрии — PRPSM с поддержкой обработки аэро­фотоснимков, SPOT и JERS-изображений и радарных снимков).

Геометрические функции VPSTA решают задачи регистрации наборов данных, геометрической коррекции и пространственно­го моделирования. Помимо этого пользовательский интерфейс включает разделы: усовершенствование изображений, Фурье-пре­образования, в том числе восстановление изображений в местах плохой видимости, разнообразные методы эффективной и точ­ной спектральной классификации (конечные данные могут быть включены в геоинформационные системы в качестве тематиче­ских карт-покрытий).

VPSTA представляет собой инструмент, который дает специа­листу большую свободу в создании моделей ГИС в растровой об­ласти.

Во многих случаях эффективность применения VPSTA можно увеличить путем обмена данными с другими специализированны­ми системами, такими, как ARC/INFO, AutoCAD.

Редактирование графики, включая создание условных обозна­чений и их размещение, позволяет представить результаты дешиф­рирования в виде готовых карт.

IDRISI (IDRISI Project, Clark University)

Программный пакет для персональных компьютеров предназ­начен для анализа пространственно распределенной информации, получаемой из различных источников. Пакет развивается с 1987 г. на платформе DOS, а с 1995 г. — на платформе Windows, включая Windows NT и Windows 98, 2000. Для многих специалистов в кон­це 80-х годов именно DOS-версия этого пакета стала первым ша­гом к компьютерной обработке ДДЗ благодаря бесплатному рас­пространению ранних версий.

В состав пакета входит блок обработки ДДЗ, включающий воз­можности как общей обработки снимков (контрастирование, фильтрация, координатная привязка, создание псевдоцветных композиций, анализ главных компонент и др.), так и тематичес­кого дешифрирования методами автоматической и полуавтома­тической классификации. Для некоторых съемочных платформ (Landsat) существуют специальные способы обработки, в част­ности, преобразование данных 6-го канала Landsat в темпера­турные показатели и др.

131

Имеются модули работы с радарными изображениями, анализ морфологической структуры (шероховатости) поверхности и груп­па уникальных «мягких» классификаторов, основанных на так называемых нечетких параметризациях. Они позволяют не прини­мать жестких решений об отнесении пикселя к определенному классу на первых этапах и дают информацию о принадлежности пикселя к каждому из выделенных классов по отдельности. Поми­мо функций обработки ДДЗ, в состав пакета входит мощный мо­дуль анализа растровых карт, в том числе построенных на основа­нии результатов обработки ДЦЗ. Пакет имеет развитые возможности ввода и импорта-экспорта данных. В частности, можно импорти­ровать «сырые» данные в форматах BIL и BIP, просматривать и редактировать байтовую структуру файлов.

Форматы данных для импорта-экспорта: векторные — ARC/ INFO, DLG, ODYSSEY, BNA (AtlasGIS), DXF; растровые -ERDAS (LAN и GIS), GRASS, DEM, TIFF, BMP, CTG, SPOT GEOSPOT, LANDSAT, SURFER (GRD) и др.

Оставаясь очень простым в освоении, пакет IDRISI в настоя­щее время находит широкое применение в небольших по объему обработки ДДЗ проектах в основном научно-исследовательского характера.

PHOTOMOD (Ракурс, Россия)

Система PHOTOMOD предназначена для многофункциональ­ной прецизионной фотограмметрической обработки стереопар-ных изображений. Работает на персональных компьютерах (в том числе с достаточно умеренными характеристиками) в операци­онных средах Windows 98, NT, 2000.

Изначально разработчики пакета ставили задачу создания ин­струмента, не уступающего по функциональным возможностям средствам, функционирующим на базе RISC-UNIX-станций, но в то же время работающего на персональных компьютерах и обла­дающего значительно меньшей стоимостью.

Пакет программных модулей для проведения основных фотограм­метрических работ позволяет провести ориентирование стереопары, автоматизированное построение цифровой модели рельефа в виде регулярной и нерегулярной (адаптивной) триангуляционной сети или «гладкой» модели, интерактивное редактирование ЦМР в сте-реорежиме визуализации, построение ортофото и горизонталей, векторизацию по ортофото с возможностью измерения трехмерных характеристик создаваемых объектов. Имеется модуль дешифрирова­ния в стереорежиме с установлением топологических связей и экс­портом в векторно-топологический формат.

Для обеспечения работы в стереорежиме в пакете PHOTOMOD используются два средства стереоскопической визуализации: цвет-

132


ной анаглифический (очки со светофильтрами), позволяющий выводить на печать стереоскопические, в том числе цветные, изображения, и основанный на стереоочках с LCD-затворами, инфракрасным синхронизатором и эмиттером инфракрасного синхросигнала.

Система отличается автоматизацией и высокой точностью из­мерений благодаря кросскоррелятору, работающему с субпиксель­ной точностью.

Пакет программных средств PHOTOMOD состоит из четырех модулей. Базовый модуль PHOTOMOD включает встроенную базу данных, служащую для управления работой программных моду­лей и хранения информации; обеспечивает ввод данных и прове­дение внутреннего, взаимного и внешнего ориентирования сте­реопары; служит для построения стереоизображения и проведения пространственных измерений.

Модуль PHOTOMOD DTM используется для автоматического построения цифровой модели рельефа в виде регулярной и нере­гулярной (адаптивной) триангуляционной сети или «гладкой» модели, обеспечивает интерактивное редактирование ЦМР в сте-реорежиме визуализации, орторектификацию и построение го­ризонталей. Создание, редактирование и экспорт результатов де­шифрирования на основе ортофотоплана с возможностью измерения трехмерных характеристик созданных объектов прово­дится в модуле PHOTOMOD Vector.

Модуль PHOTOMOD StereoDraw служит для стереодешифри-рования с установлением топологических связей между объекта­ми. В модуле имеется режим автоматического следования по рель­ефу, при котором проводимая оператором линия автоматически ложится на рельеф и получает высотную координату в каждой своей вершине. Режим автоматического следования по рельефу, возможности сглаживания векторов, фиксации высотной коор­динаты, удобство управления маркером в трехмерном простран­стве позволяют значительно повысить производительность труда оператора при проведении дешифрирования.

Дополнительный модуль PHOTOMOD ScanCorrect служит для метрической калибровки планшетных сканеров. Этот модуль по­зволяет использовать полиграфические сканеры для проведения точных фотограмметрических работ за счет значительного повы­шения геометрической точности сканирования снимков.