Обработка аэрокосмических изображений

Злобин В.К.
Еремеев В.В.






        Обработка аэрокосмических изображений









МОСКВА ФИЗМАТЛИТ ®

УДК 004.932
ББК 22.343
     З68

   З л о б и н В. К., Е р е м е е в В. В. Обработка аэрокосмических изображений. —М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 288 с. — ISBN 5-9221-0739-9.
   В монографии рассматриваются современные методы и информационные технологии компьютерной обработки аэрокосмических изображений, получаемых с помощью различных систем дистанционного зондирования Земли. Основное внимание уделено математическому описанию и алгоритмизации базовых технологий межотраслевой обработки данных дистанционного зондирования Земли, а именно технологий геометрической и радиометрической обработки аэрокосмических снимков, пространственной привязки изображений земной поверхности, комплексирования разноспектральной видеоинформации и формирования по серии перекрывающихся снимков аэрокосмических карт. Рассмотрены вопросы эффективной системной организации технологий обработки аэрокосмических изображений.
   Для специалистов, работающих в области обработки аэрокосмических изображений поверхности Земли, аспирантов и студентов старших курсов.
   Табл. 17. Ил. 99. Библиогр. 130 назв.
































ISBN 5-9221-0739-9

                                                      (О ФИЗМАТЛИТ, 2006
(О В. К. Злобин, В. В. Еремеев, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение................................................................... 5

Глава 1. Основные задачи межотраслевой обработки изображений земной поверхности ..................................................... 9
§ 1.1. Общие принципы формирования, обработки и распространения данных дистанционного зондирования Земли............................................... 9
§1.2.  Геометрическая обработка изображений............................... 17
§ 1.3. Пространственная привязка изображений.............................. 23
§ 1.4. Радиометрическая обработка......................................... 28
§ 1.5. Комплексирование изображений....................................... 34
§ 1.6. Концептуальные положения по построению базовых технологий обработки данных ДЗЗ.................................................................. 42

Глава 2. Методы и алгоритмы геометрической обработки данных дистанционного зондирования Земли..................................... 47
§2.1.  Геометрическая модель космической съемки........................... 47
§ 2.2. Геометрическая модель самолетной съемки............................ 53
§ 2.3. Типовые модели сканирующих устройств............................... 58
§ 2.4. Организация поэлементных координатных преобразований............... 64
§ 2.5. Расчет параметров кусочно-билинейной координатной обработки........ 71
§ 2.6. Спектральный анализ процессов формирования и геометрической обработки изображений.............................................................. 77
§ 2.7. Методика оценки точности яркостной интерполяции.................... 83
§ 2.8. Метрологическое           обеспечение процесса геометрической обработки изображений                                           87

Глава 3. Методы и технологии пространственной привязки изображений 94
§ 3.1. Пространственная привязка по данным навигационных систем ГЛОНАСС/GPS 94
§3.2.  Технология пространственной привязки по электронным картам......... 97
§3.3.  Регрессионная технология прецизионной пространственной привязки..   105
§3.4.  Автоматический поиск одноименных сюжетов на снимке и электронной карте 110
§3.5.  Пространственная привязка снимков от геостационарных спутников по диску Земли................................................................... 115
§3.6.  Привязка изображений по наземным ориентирам....................... 121
§3.7.  Пространственная привязка изображений по звездам.................. 132

Оглавление

Глава 4. Радиометрическое обеспечение данных ДЗЗ ......................... 139
§4.1.  Типовая схема формирования и радиометрической обработки изображений. . 139
§4.2.  Фильтрация импульсных и групповых помех............................ 141
§ 4.3. Компенсация низкочастотных яркостных искажений..................... 144
§ 4.4. Коррекция спектральных искажений................................... 147
§4.5.  Устранение структурных искажений по данным бортовой калибровки и статистического анализа....................................................... 152
§ 4.6. Статистический отбор данных........................................ 158
§4.7.  Коррекция структурных искажений на основе сопоставления функций распределения.................................................................. 164
§4.8.  Сравнительный анализ алгоритмов статистической коррекции структурных искажений................................................................ 170
§ 4.9. Коррекции структурных искажений на основе анализа одноименных объектов 173
§ 4.10. Модификация алгоритма коррекции структурных искажений на неоднородных изображениях............................................................. 181
§4.11.  Метрологическая аттестация технологий радиометрической коррекции.. 185

Глава 5. Методы и технологии комплексирования спектрозональных изображений......................................................... 190
§5.1.  Геометрическое объединение синхронно формируемых изображений....... 190
§ 5.2. Геометрическое комплексирование разновременных изображений......... 197
§ 5.3. Фотометрическое выравнивание совмещаемых изображений .............. 203
§5.4.  Комплексирование спектрозональных изображений...................... 210
§ 5.5. Комплексирование разноспектральной информации на основе стохастической модели изображений....................................................... 217
§ 5.6. Комплексирование субпиксельно смещенных изображений на основе яркостной интерполяции............................................................. 222
§ 5.7. Алгебраическое комплексирование субпиксельно смещенных изображений . . 229
§ 5.8. Комплексирование разноспектральных субпиксельно смещенных изображений 234

Глава 6. Системная организация процессов обработки данных ДЗЗ. . . . 238
§6.1 . Управление процессами обработки данных ДЗЗ в реальном времени...... 238
§6.2 . Модели планирования процессов обработки данных ДЗЗ................. 245
§    6.3. Модели обработки видеоданных в однородных многопроцессорных системах 248
§    6.4. Однородные вычислительные модели многопроцессорной обработки изображений...................................................................... 253
§6.5 . Управление распределенной памятью.................................. 257
§6.6 . Организация межпроцессорного взаимодействия........................ 261
§6.7  . Каталогизация данных ДЗЗ.......................................... 266
§6.8 . Программная реализация процессов обработки данных ДЗЗ.............. 273

Список литературы......................................................... 279

ВВЕДЕНИЕ




   Обработка изображений является достаточно обширной областью знаний, которая динамично развивается во многих важных практических приложениях. По этой тематике издан ряд фундаментальных книг [6, 18, 56, 63, 65, 71, 72, 81, 83], в которых изложены теоретические основы формирования, восприятия, обработки и анализа изображений. В настоящей книге не ставится задача повторения известных теоретических положений. Главная цель книги — это системное изложение математических основ и технологий компьютерной обработки аэрокосмических изображений, получаемых с помощью различных систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Эта важная сфера приложения теории обработки изображений, с одной стороны, базируется на ее общих положениях, с другой стороны — требует развития и конкретизации в виде проблемно ориентированных методов, алгоритмов и информационных технологий.
   В предлагаемой читателю монографии представлены результаты научных исследований и опытно-конструкторских разработок, которые более 30 лет ведутся в Рязанской государственной радиотехнической академии коллективами НИИ обработки аэрокосмических изображений и кафедры ЭВМ. В последние годы работы в данном направлении проводятся этими коллективами в рамках Федеральной космической программы России, Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база», грантов и программ Российского Фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки Российской Федерации.
   Дистанционные исследования Земли — одно из приоритетных направлений космической деятельности России. Изображения, получаемые с помощью различных систем ДЗЗ, после соответствующей обработки находят эффективное применение в гидрометеорологии, охране окружающей среды, картографии, геологии, сельском и лесном хозяйствах, экологии, мониторинге чрезвычайных ситуаций, военной разведке и многих других областях человеческой деятельности [14, 57, 69]. В настоящее время в мире созданы и успешно эксплуатируются крупные национальные и межгосударственные космические системы исследования Земли, такие как ХОЛЛ. Landsat (США), Spot (Франция), «Ресурс-01», «Метеор-ЗМ» (Россия) и др. [14, 16, 54, 55, 70, 99, 100, 109]. Они позволяют выполнить съемку территорий в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах спектра с пространственным разрешением от 1 км до 10-30 м. В ближайшие годы планируются запуски космических аппаратов нового поколения, которые обеспечат многозональную съемку с разрешением 2 метра и выше и периодичностью обновления информации 2-4 суток.
   Однако аэрокосмические снимки в исходном виде не могут быть использованы по назначению, поскольку содержат значительные геометрические и яркостные искажения по отношению к наблюдаемой сцене. Необходимо выполнить их коррекцию с целью получения таких изображений, по которым с максимально возможной точностью можно оценивать геометрические, энергетические и спектральные характеристики объектов земной поверхности.

Введение

   Согласно устоявшейся концепции использования данных ДЗЗ комплексную обработку аэрокосмической видеоинформации признано целесообразным выполнять в две стадии. На первой стадии производится так называемая межотраслевая обработка, в результате которой изображения приводятся к стандартному виду, удовлетворяющему всех потребителей по геометрической точности, радиометрическому качеству и форме представления. В процессе межотраслевой обработки выполняются геометрическая коррекция и преобразование изображений в заданные картографические проекции; пространственная привязка снимков к местности; радиометрическая коррекция и комплексирование разноспектральных видеоданных с целью улучшения их качества; каталогизация материалов съемки и обеспечение сетевого доступа к ним; выдача потребителям обработанных изображений в соответствии с общепринятыми международными стандартами. Для выполнения межотраслевой обработки привлекаются десятки различных параметров и характеристик, определяемых в ходе предполетных испытаний съемочной аппаратуры и в процессе ее эксплуатации; измерения параметров орбиты и углов ориентации аэрокосмического аппарата; опорная геометрическая и радиометрическая информация и другие сведения. На второй стадии с использованием нормализованных изображений выполняется тематическая (целевая) обработка в интересах решения задач конкретной отрасли, региона, научного учреждения или органа управления.
   В настоящей книге рассматриваются вопросы, связанные, главным образом, с межотраслевой обработкой данных ДЗЗ. Термин «межотраслевая обработка» несет две смысловые нагрузки. Во-первых, он определяет весьма устойчивый набор перечисленных выше задач, без решения которых невозможно целевое использование материалов аэрокосмической съемки. Во-вторых, этот термин отражает общепризнанную экономически обоснованную концепцию централизованного обеспечения заинтересованных потребителей нормализованными аэрокосмическими изображениями, с тем чтобы освободить их от необходимости детального изучения весьма сложных процессов ДЗЗ и самостоятельной реализации дорогостоящих технологий коррекции изображений.
   В становлении и развитии наземных средств межотраслевой обработки материалов аэрокосмической съемки можно выделить три этапа [21, 26].
   Первый этап охватывает 70-е годы. В это время в нашей стране и США создаются первые образцы систем цифровой обработки аэрокосмических снимков на базе ЭВМ и устройств ввода и вывода изображений барабанного типа. К числу лучших отечественных образцов того времени относилась система «Схема» [6, 28]. Эта система в 1972 г. была установлена в Госцентре «Природа» и несколько лет использовалась для проектирования и отработки новых технологий картографирования поверхности Земли по результатам аэрокосмических съемок. Первые попытки решить задачи геометрической и радиометрической коррекции изображений поставили перед разработчиками ряд сложных научно-технических проблем, поскольку производительность ЭВМ в то время измерялась десятками тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти — десятками Кбайт, а информационная емкость типового аэрокосмического изображения составляла десятки Мбайт. В рамках системы «Схема» были реализованы новые прогрессивные методы и технологии обработки изображений [6, 27, 29, 48], не потерявшие ценности до настоящего времени, а именно: методы высокоскоростной геометрической коррекции изображений; методы эффективной организации видеоинформационного обмена между оперативной и внешней памятью ЭВМ; аналитико-регрессионная технология преобразования изображений в картографические проекции. Однако время преобразования типового

Введение

7

аэрокосмического изображения с размерами 18x18 см² составляло более 15 часов и обработка каждого снимка представляла собой уникальную операцию.
   В 1976 г. с участием авторов создана высокопроизводительная система обработки аэрокосмических снимков «Модель», включающая в себя ЭВМ ЕС-1030, три однотипных телевизионных устройства ввода-вывода изображений и прикладное программное обеспечение [1, 2, 3, 34, 96]. В 1976-1981 гг. эта система использовалась в Центральном НИИ геодезии, аэросъемки и картографии для отработки новых процессов составления карт. Коррекция изображений в данной системе осуществлялась с помощью специальных видеопроцессоров, которые входили в состав устройств ввода-вывода и обеспечивали движение электронных лучей в телевизионных трубках по строго расчетным траекториям. При этом в процессе геометрической трансформации видеоданные передавались с устройства ввода изображений, миную память ЭВМ, сразу же на устройство вывода для фоторегистрации на пленку. Время обработки типового снимка было сокращено до полутора часов. В разработку систем «Схема» и «Модель» значительный вклад внесли А.А. Ануркин, Б.В. Костров, Ю.Н. Кирилин, М.Н. Криворотько и др.
   Второй этап охватывает 80-е годы. В это время в нашей стране сложилась явная диспропорция в развитии средств обработки аэрокосмической видеоинформации и средств ее получения. Существующие в то время системы обработки изображений не удовлетворяли потребителей по производительности, в результате чего громадные объемы ценной аэрокосмической видеоинформации не находили должного практического использования. В 1980-1982 гг. в рамках создания новых систем ДЗЗ формируется государственная концепция развития их наземной инфраструктуры. Правительством принимается решение о создании в Москве, Новосибирске, Хабаровске и Ташкенте мощных региональных центров межотраслевой обработки данных ДЗЗ с целью централизованного оперативного обеспечения потребителей материалами аэрокосмической съемки. Для оснащения этих центров впервые в отечественной практике был налажен серийный выпуск мультипроцессорных систем типа ПС-2000/2100, в которых сотни однотипных процессоров были ориентированы на обработку различных потоков видеоданных под управлением единого для всех процессоров потока команд. Такие системы обеспечивали производительность от 200 млн. до 1,5 млрд, коротких операций в секунду. На передний план выдвинулась проблема организации на базе однородных мультипроцессорных систем высокопроизводительных технологий обработки изображений, основанных на эффективном распараллеливании вычислительных ресурсов на трех уровнях: внутрипроцессорном, межпроцессорном и общесистемном. Такие технологии были разработаны в 19851987 гг. и внедрены в Главном центре приема и обработки спутниковой информации (г. Долгопрудный Моск, обл.), где до 1993 г. в рамках системы «Микрон» постоянно совершенствовались и использовались для обработки видеоданных, принимаемых со спутников серии «Ресурс-01» [21, 24, 31, 32, 50]. В создании технологий мультипроцессорной обработки данных ДЗЗ активное участие приняли М.С. Здобнов, А.В. Нелин, Н.В. Середа и др.
   Третий этап развития систем обработки данных ДЗЗ охватывает период с начала 90-х годов до настоящего времени. Для обработки материалов аэрокосмической съемки стали широко использоваться персональные компьютеры и рабочие станции повышенной производительности, различного рода сканеры, плоттеры, дигитайзеры. Благодаря доступности этих средств для многочисленных пользователей, а также развитию телекоммуникационных средств распространения видеоданных, создались предпосылки для активного применения результатов аэрокосмического

Введение

мониторинга Земли в различных отраслях науки и техники и в разных регионах страны. Наиболее важными стали задачи получения изображений с высоким пространственным разрешением, их высококачественной обработки, проектирования технологий высокоточной геодезической привязки данных ДЗЗ, картографирования обширных территорий по серии перекрывающихся снимков, создания различных приложений для геоинформационных систем. В этот период Рязанской государственной радиотехнической академией в кооперации с Российским НИИ космического приборостроения, Научным центром оперативного мониторинга Земли, НИИ точных приборов и другими организациями Федерального космического агентства создано семейство систем межотраслевой обработки изображений [35, 39, 40, 128]: NormSat, NormScan, NoaaSat, NormSatReg, BankSat, TmVision и др. (рис. 1 цветной вклейки). В настоящее время эти системы эксплуатируются в Федеральном центре Роскосмоса в Москве; отраслевых центрах Росгидромета в Обнинске, Долгопрудном, Новосибирске; региональном центре в Ханты-Мансийске. В рамках этих систем впервые в отечественной практике реализованы замкнутые технологии межотраслевой обработки данных ДЗЗ, которые обеспечивают генерацию выходной информационной продукции в соответствии с принятыми в мировой практике уровнями обработки, оценку качества видеоинформации, каталогизацию и сетевой доступ потребителей к электронным каталогам и архивам видеоданных.
   В создание систем этого поколения значительный вклад внесли А.Е. Кузнецов, В.И. Нефедов, В.И. Побаруев, Г.А. Козлов, А.Э. Москвитин, О.А. Пресняков, Д.В. Борисов, А.А. Воронин, А.М. Кочергин, С.В. Антонушкина, В.М. Васильев, М.В. Курбасов, В.Г. Новоселов, Д.И. Федоткин. Авторы выражают им и другим сотрудникам НИИ обработки аэрокосмических изображений свою глубокую признательность.
   Авторы выражают благодарность Г.А. Кузнецовой, взявшей на себя основной труд по оформлению книги.
   Изложение принципов построения систем нового поколения, методов и технологий обработки данных ДЗЗ в этих системах составляет основное содержание настоящей книги.

Глава 1


ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ
§ 1.1. Общие принципы формирования, обработки и распространения данных дистанционного зондирования
Земли

  Принципы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Дистанционные исследования поверхности Земли основаны на измерении с аэрокосмических аппаратов геометрических, энергетических и спектральных характеристик объектов наблюдаемой сцены [7, 14, 57, 69, 87]. С этой целью на спутниках устанавливаются различные по принципу действия сканирующие устройства, которые в процессе полета осуществляют съемку земной поверхности в видимой, инфракрасной и радиолокационной областях спектра. Как правило, съемка выполняется одновременно несколькими сканирующими устройствами в различных спектральных диапазонах, и цифровая видеоинформация передается на наземные пункты приема и обработки. Изображение, полученное некоторым датчиком в fe-м спектральном диапазоне (к = = 1, К), представляет собой таблицу (массив) отчетов яркости Вк (т, п), т = 1, М, п= 1,N, образующих матрицу B/,. = [В^(т, п)], где т, п — соответственно номера столбцов и строк. При одновременной съемке в К спектральных диапазонах образуется набор изображений В (m, п) = {Вк(т, n),k = 1, К}, которые формируются в процессе сканирования точек земной поверхности в результате интегрирования и преобразования лучистой энергии:
                    ОО
Вк(т,п) = E(X!Y!Z!X)Sₖ(X) dX, k=Tj<,       (1.1)
                    о
где E(X,Y,Z,X) — спектральная яркость точки земной поверхности с координатами (X,Y, Z), соответствующей элементу изображения с координатами (ш, п); Sₖ (А) — спектральная чувствительность датчика в к-тл спектральном диапазоне; А — длина волны излучения. Каждый отдельный элемент изображения Вк (т, п) далее будем обозначать как Ьктп или Ьк (т, п). Если при рассмотрении тех или иных вопросов не имеет значения, в каком спектральном диапазоне получено изображение, то индекс к будем опускать, например, вместо Вк (т, п), Ьктп, Ьк (т, п) будем использовать обозначения В (m, n), bₘₙ, b (т, п).
  Дистанционное изучение объектов земной поверхности основано на оценке их геометрических, энергетических и спектральных характеристик по результатам обработки и анализа спектрозональных изображений Вк(т, п), к= 1,К. Точность такой оценки определяется тем, насколько точно установлено соответствие между спектральной яркостью точек земной поверхности Е (X, Y, Z, X) и элементами изображений Вк(т,п), к= 1,К. Такое соответствие может быть охарактеризо

Гл. 1. Задачи обработки изображений земной поверхности

т

Рис. 1.1. Получение спектрозональных изображений
вано двумя частными и независимыми соответствиями (рис. 1.1): координатным (m, п) о (X, Y, Z) и яркостным {Вд,(т, п), k = 1, К} о Е (X, Y, Z, А).

   Геометрические модели. Прямое координатное соответствие в общем виде определяется как
             X = Fx(m,ri),    Y = Fy(m,ri),    Z = Fz(m,ri),         (1.2)

где Fx, Fy, Fz — функции, описывающие процесс сканирования точек земной поверхности в условиях движения летательного аппарата. Эти функции определяются законом перемещения спутника или самолета по орбите, законом сканирования (визирования) точек Земли конкретным датчиком, углами ориентации летательного аппарата и механизмом опроса приемников лучистой энергии.
   После определения функций Fx, Fy, Fz яркостное соответствие между одноименными точками изображения и земной поверхности можно охарактеризовать некоторым оператором Fj;:
В(т,п) = FB[E(X,Y,Z,X)\.                       (1.3)
   Геометрическая структура изображений Вд. {т,п), k = 1, К, зависит от многих детерминированных и случайных факторов. Детерминированные факторы можно описать аналитически, они, главным образом, определяют вид функций Fx, Fy, Fz-Действие случайных факторов можно учесть, лишь привлекая опорную координатную информацию, например сопоставляя координаты одноименных точек на изображениях Bk(m, п), k= 1,К, и электронной карте К(х,у), зарегистрированной в некоторой системе координат ху. Задача координатной обработки состоит в том, чтобы путем геометрического трансформирования изображений Bj. (т, n),k = 1, К, получить набор таких изображений D (ж, у) = {Dₖ(x,y) ,k = 1, X}, которые в максимальной степени совпадали бы по геометрии с картой К (ж, у). В данном случае карта рассматривается как наиболее точная геометрическая модель отображения точек земной поверхности на плоскость.
   Формально процесс координатной обработки можно определить в виде прямого геометрического соответствия
              ж = Х(т, n), y = G(m,n), т=1,М, n=1,N,                   (1.4)
или в виде обратного соответствия
m = f(x,y), n = g(x,y), ж=1,Х, y=1,Y,                   (1.5)
где (т, п) и (ж, у) — соответственно координаты одноименных точек на исходном