Высшее профессиональное образование основы геоинформатики вдвух книгах
Вид материала | Книга |
- Должностная инструкция менеджера по персоналу 00. 00. 0000, 61.54kb.
- Наименование реализуемых программ, 40.13kb.
- Учебное пособие практикум по конкурентным стратегиям, слияниям и поглощениям Кафедра, 1849.76kb.
- Утверждено ученым советом дгу 26 января 2012 г., протокол, 78.34kb.
- Программа вступительных испытаний по литературе на экзамене по литературе поступающий, 270.11kb.
- Апк агропромышленный комплекс; впо высшее профессиональное образование; гоу государственное, 760.98kb.
- Высшее экономическое образование за 3 года 4 месяца для лиц, имеющих среднее и высшее, 28.87kb.
- Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами делопроизводства, 140.91kb.
- Учебно-тематический план для подготовки по специальности «Оператор ЭВМ с основами арм, 121.8kb.
- «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», 30.45kb.
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.