Extragerea modelului numeric altimetric al terenului din imagini satelitare ASTER
de Bogdan Candrea
Publicat la 04 Jan 2008 | Secţiunea: Tutoriale | Categoria: Teledetecție/
Nivel de dificultate: 
Introducere
The Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) este unul dintre multele instrumente amplasate pe platforma TERRA, care a fost lansat în decembrie 1999. ASTER oferă imagini în 14 benzi spectrale, cu o rezoluție ce variază între 15-90 m.
Imaginile ASTER sunt disponibile în proiecție Universal Transverse Mercator (UTM), doar unele scene fiind stocate în alte proiecții. Datele sunt referențiate în sistemul WGS 84. Formatul fișierelor este HDF-EOS (Hieratical Data Format) putând fi achiziționate pe CD-ROM, DVD, DLT, 8-mm tape, sau prin FTP.
Extragerea MNAT-ului cu ajutorul programului Envi
Folosind programul ENVI 4.3, sau mai recent, în meniul Topographic se regăsesc uneltele necesare pentru extragerea unui MNAT folosind imagini satelitare. Extragerea MNAT-ului este un proces bazat pe mai mulți pași ce implică setarea mai multor parametri. Acești pași pot fi realizați separat în meniul Map sau pot fi folosiți într-o succesiune logică dată de procedura automată MNAT Extraction Wizard.
Introducerea perechii de imagini stereo
Crearea unui MNAT din imagini satelitare se realizează pe baza aceluiași principiu prin care omul își creează imaginea tri–dimensională, respectiv pe baza a doua imagini, imaginea înregistrată de ochiul stâng și cea înregistrată de ochiul drept. Vederea tridimensională se constituie din suprapunerea perechii de imagini stereo, formate dintr-o imagine stânga și o imagine dreapta. Aceste două imagini prezintă o zonă de acoperire longitudinală de minim 50%, ceea ce face posibilă determinarea și redarea spațială a cuprinsului celor două perspective (Chițea Gh., Kiss A., Vorovencii I., 2003) formează un cuplu de două fotograme conjugate (succesive) preluate din puncte diferite.
Pentru a extrage un MNAT dintr-o imagine ASTER perechea de imagini stereo este redată de benzile spectrale din vizibil și infraroșu apropiat (VNIR: 0,78 – 0,86 µm), mai exact pentru imaginea stereo stânga se folosește banda înregistrată cu telescopul în poziție normală, numită 3N, iar pentru imaginea stereo dreapta se folosește banda înregistrată cu telescopul în poziție inversă, numită 3B, având o rezoluție spațială de 15 m. Modul de alcătuire – funcționare al instrumentului ASTER este redat în Figura 1.
Figura 1. Instrumentul ASTER – Componentele subsistemului VNIR.
Pentru exemplificare vom folosi imaginea AST_L1A_00304042004092616_20070813053543_20783.hdf (cuprinde munții Bucegi, munții Teleajenului și depresiunea Brașovului).
Introducerea imaginilor stereo s-a realizat în felul următor:
- Din bara de meniuri ENVI prin selecția meniului File se apelează submeniul Open External File – EOS – ASTER.
- În fereastra afișată s-a selectat imaginea de mai sus, și în lista de benzi disponibile au apărut cele 15 benzi ale imaginii ASTER.
- Din bara de meniuri ENVI s-a selectat meniul Topographic, submeniul MNAT Extraction – MNAT Extraction Wizard – New.
- Pentru introducerea perechii de imagini stereo se folosește butonul Select Stereo Images…. În urma folosirii butonului respectiv apare o fereastră de dialog în care se introduce banda pentru imaginea stânga, respectiv cea pentru imaginea din dreapta (Figura 2).
Figura 2. Extragerea MNAT – pasul 1
Tipul de model
Un model se poate face cu sau fără puncte de control din partea unui utilizator, rezultând astfel 2 tipuri: modele relative și modele absolute. Precizia orizontală este de 7 m pentru modelele cu puncte de control și de 10 m pentru cele fără puncte de control. Eroarea pantei este de până la 5 grade pentru un teren extins pe o suprafață de peste 100 m.
Figura 3. Extragerea MNAT – pasul 2
Definirea unor puncte de control este foarte importantă când se dorește a se stabili natura MNAT-ului. Astfel, fără definirea unor puncte de control rezultă un MNAT cu valori relative.
O a treia variantă, de a citi punctele de control dintr-un fișier este utilizabilă în special când a fost construit deja un fișier cu extensia *.PTS. Acest fișier este constituit din mai multe coloane, primele 4 conținând coordonatele punctelor de pe imaginea respectivă în pixeli, iar următoarele 3 conținând coordonatele x, y si z în proiecția aleasă.
Figura 4. Exemplu fișier puncte de control
Definirea punctelor de control (GCP – Ground Control Points)
Următorul pas în extragerea MNAT-ului este unul opțional și nu apare dacă anterior se alege crearea unui MNAT cu valori relative. Punctele de control sunt foarte importante, în special valoarea altitudinii, pentru a realiza un MNAT cât mai real. Acestea se introduc pe rând, atât în imaginea din stânga cât și în cea din dreapta. Pentru o poziționare exactă a punctelor de control în fereastra pasului 3 există butonul Predict Left/Right care nu face altceva decât să poziționeze în imaginea satelitară georeferențiată punctul căruia i s-au introdus coordonatele (Figura 5).
Figura 5. Extragerea MNAT – pasul 3
La poziționarea mouse-lui pe imaginea satelitară și apăsarea butonului Predict Map ENVI 4.3 afișează automat coordonatele x, y și z pentru pixelul respectiv.
La crearea modelului digital al terenului din fișierul ASTER AST_L1A_00304042004092616_20070813053543_20783.hdf ce conține zona Brașovului s-au folosit 76 puncte de control prezentate în Figura 6.
Figura 6. Introducerea punctelor de control
Generarea punctelor de legătură
Punctele de legătură sunt folosite pentru a calcula unghiul de paralaxă. Ca și la crearea vederii tridimensionale a omului, există un unghi de paralaxă între cele două imagini stereo 3N si 3B. Calculul și precizia unghiului de paralaxă sunt legate de numărul punctelor de legătură (Figura 7).
Relația între imagini definită de punctele de legătură este folosită pentru a defini geometria epipolară și pentru a crea imaginile epipolare care sunt folosite pentru a extrage MNAT-ul.
Figura 7. Extragerea MNAT – pasul 4
Materializarea punctelor de legătură se poate realiza automat, interactiv, sau pot fi citite dintr-un fișier.
- Generarea automată a punctelor de legătură – algoritmul ENVI poate genera puncte de legătura automat, bazate pe caracteristicile terenului din imagine.
- Definirea interactivă a punctelor de legătură – alegerea acestei opțiuni necesită definirea manuală a punctelor de legătură dintre cele doua imagini stereo.
Generarea automată conține anumiți parametri care, definiți corect, pot duce la o legare cat mai reală a celor două imagini, stânga – dreapta, lucru care duce inevitabil la extragerea unui MNAT mai apropiat de realitate.
Pe lângă numărul de puncte care este definitoriu în calculul unghiului de paralaxă și în stabilirea legăturii celor două imagini, mărimea ferestrei de căutare este la fel de importantă. Astfel pentru imagini satelitare cu rezoluție spațială mai mare, este recomandată o imagine de căutare mai mare.
În cazul de față, pentru extragerea modelului digital al terenului s-au folosit 100 de puncte, generate automat.
În acest pas se poate schimba opțiunea de a examina și a edita punctele de legătură. Daca s-au folosit puncte de legătura generate automat este foarte importantă examinarea și editarea acestora.
Examinarea și editarea punctelor de legătură
Odată activată opțiunea generării automate a punctelor de legătură, pasul cinci al procedeului de extragere a unui MNAT constă în corectarea poziționării punctelor de legătură în imaginile din stânga și din dreapta, ducând astfel la un unghi de paralaxă mic și implicit la o citire mult mai corectă și mai exactă a informațiilor spectrale pe care cele două benzi le oferă.
Acest pas este foarte important în realizarea unui MNAT calitativ. Unghiul de paralaxă se calculează numai din corespondențele pe care le fac punctele de legătură. O poziționare cât mai corectă a acestora în cele două imagini duce la o citire mult mai bună a informațiilor tridimensionale.
Fereastra afișată la pasul 5 (Figura 8) conține trei secțiuni: prima conține coordonatele punctelor, în pixeli, atât în imaginea din stânga cât și în cea din dreapta, a doua în care se poate realiza vizualizarea și editarea punctelor de legătură și a treia, care conține funcții prin care se poate estima poziția punctului pe baza coordonatelor introduse.
Figura 8. Extragerea MNAT – pasul 5.
În secțiunea de vizualizare și editare a punctelor de legătură, butonul Likley Error Rankings afișează punctele de legătură în ordinea celei mai mari erori de poziționare. Odată ales primul punct din listă, care are eroarea cea mai mare, cu ajutorul butoanelor Predict Left și Predict Right se așează în poziție corectă. În urma folosirii butonului Update punctul este suprascris în matricea de puncte creată și se produce o modificare a unghiului de paralaxă. Dacă valoarea unghiului nu se modifică, se trece la următoarele puncte și se reia același procedeu, până când valoarea maximă a unghiului de paralaxă scade sub valoarea de 10 pixeli.
Calculul imaginilor si geometriei epipolare
Imaginile epipolare sunt de stânga și de dreapta și rezultă în urma procesării imaginilor de singură banda 3N și 3B. Pe baza acestor imagini epipolare și a unghiului de paralaxă se creează MNAT-ul (Figura 9).
Figura 9. Extragerea MNAT – pasul 6.
Fereastra de dialog apărută permite introducerea numelui imaginii și felul cum pot fi stocate (într-un fișier sau în memorie).
În acest pas există opțiunea de a reduce rezoluția MNAT-ului, materializată prin Factorul de Reducere Epipolar. Pentru un ASTER cu rezoluția de 15 m, dacă se folosește factorul 2, va rezulta un MNAT cu o rezoluție de 30 de m.
În cazul de față s-a optat pentru extragerea unui MNAT de rezoluție 15 m.
Configurarea parametrilor de proiecție
Pasul 7 al procedurii de extragere a MNAT – ului din imaginea ASTER implică o definire a parametrilor ce țin de proiecție și de calitatea MNAT – ului (Figura 7). Acestea sunt calculate automat din imaginea georeferențiată. Pentru un factor epipolar definit la pasul anterior ca având valoarea 1, rezoluția spațială este de 15 m, iar dacă s-ar fi definit factorul 2 rezoluția spațială ar fi de 30 m.
Figura 10. Extragerea MNAT – pasul 7.
Configurarea parametrilor de extragere
Pasul 8 permite specificarea parametrilor necesari pentru extragerea MNAT-ului (Figura 11). Aici se pot defini praguri, mărimea suprafeței care se dorește a se folosi în unirea celor două imagini, determinarea nivelului de detaliu al terenului, precum și specificarea locului unde să fie salvat rezultatul.
Valoarea de corelație minimă este pragul coeficientului de corelație folosit pentru a determina dacă punctele din fereastra de căutare se potrivesc. Dacă un coeficient de corelație este mai mic decât minimul atunci punctele nu sunt considerate ca fiind o bună legătură. În general valorile de corelație între 0.65 si 0.85 sunt rezonabile, dar pentru ferestre de mărimi mari poate fi folosită o corelație mai puțin strictă.
Figura 11. Extragerea MNAT – pasul 8.
În extragerea MNAT-ului este importantă suprapunerea imaginilor pentru a detecta caracteristicile comune din imaginile stânga și dreapta. Opțiunea Terrain Detail determină cât de precisă se dorește reprezentarea terenului în MNAT. Această opțiune controlează numărul de niveluri de piramidă de imagine folosite în timpul suprapunerii imaginilor. Nivelul maxim este cel care presupune un grad ridicat de potrivire între imagini, în speță un unghi de paralaxă mic.
Finalizarea procedurii de obținere a MNAT-ului se face la pasul 9 (Figura 12).
Figura 12. Extragerea MNAT – pasul 9.
Post-procesare folosind filtre de netezire
Se recomandă realizarea modelului digital al terenului la un nivel maxim de detaliu al terenului, precum și folosirea unor filtre (netezire) care pot să conducă la rezultate foarte bune (Figura 13).
Figura 13. Modalități de retușare a modelului.
În exemplificarea celor spuse se atașează următoarele reprezentări grafice:
Figura 14. AST_L1A_00304042004092616_20070813053543_20783.hdf. Imaginea Aster folosită pentru obținerea MNAT-ului.
Figura 15. MNAT-ul rezultat din ASTER (stânga – fără factor de netezire; dreapta – cu factor de netezire 3).
Figura 16. MNAT-ul rezultat din ASTER (stânga – cu factor de netezire 5; dreapta – cu factor de netezire 7).
Figura 17. MNAT-ul rezultat din ASTER (stânga – cu factor de netezire 8; dreapta – cu factor de netezire 10).
Concluzii
Precizia MNAT-urilor ASTER poate fi asimilată cu cea întâlnită pe hărțile cu scara cuprinsă între 1:50.000 și 1:25.000.
Pentru mai multe informații despre caracteristicile MNAT-urilor ASTER, altele decât cele anterior prezentate, se pot accesa următoarele adrese:
