CC BY
63
PRIMENA SATELITSKIH SNIMAKA ZA DOPUNU SADRŽAJA TOPOGRAFSKIH KARATA
Regodić D. Miodrag, Vojna akademija, Katedra prirodnomatematičkih i tehničkih nauka, Beograd
UDC: 623.644:004.932
Sažetak:
Neažurnost sadržaja topografskih karata (TK), uslovljena ponajviše stvarnim ekonomskim teškoćama pri izradi novih i dopuni postojećih izda-nja, kao i nedovoljnost i sve teže stanje pri izradi ostalih geotopografskih materijala (GTM), u velikoj meri otežavaju geotopografsko obezbeđenje (GTOb) vojske u miru, kao i u svim periodima pripreme i vođenja ratnih dejstava. Rešenje ovog problema je u iznalaženju adekvatnog načina upotrebe proizvoda svih vrsta daljinskih snimanja, a naročito u obradi kva-litetnih satelitskih snimaka. Kao najbolji pokazatelj velikih mogućnosti da-ljinske detekcije, korišćenjem satelitskih snimaka, u kartografskoj praksi primenom kvalitetnih softverskih rešenja, u radu je predstavljena dopuna topografske karte nedostajućim topografskim sadržajem.
Ključne reči: topografska karta, satelitska snimanja, geografski elementi.
Uvod
Mnogobrojne prirodne i društvene pojave se neprekidno prate, iz-vi đaju, snimaju i analiziraju u svetlu ispoljavanja čovekovog uti-caja na njihova odvijanja. Sve su prisutnija i zastupljenija stalna i povre-mena satelitska praćenja i snimanja koja se obavljaju u različite svrhe. Ona mogu biti namenjena ispitivanju meteoroloških uslova i praćenju nji-hovih promena, proučavanju velikih vodenih površina, praćenju kretanja ljudi i naoružanja u vojnoobaveštajne svrhe i drugo. Rezultate ovih snimanja moguće je koristiti i pri izradi i dopuni topografskih, tematskih i rad-nih karata i drugih geotopografskih materijala.
Neažurnost topografskih karata, uslovljena ponajviše stvarnim ekonomskim teškoćama pri izradi novih i dopuni postojećih izdanja, kao i nedovoljnost i sve teže stanje pri izradi ostalih GTM, u velikoj meri otežavaju GTOb vojske u miru, kao i u svim periodima pripreme i vođenja ratnih dejstava.
Rešenje ovog problema je u iznalaženju adekvatnog načina upotre-be proizvoda svih vrsta snimanja i izviđanja, a naročito u obradi sve pri-
mregodic62@gmail.com
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
sutnijih kvalitetnih satelitskih snimaka. Cilj naučnog istraživanja u ovom radu jeste da se kroz teorijska razmatranja i sprovedeni eksperiment iz-nađu i provere mogućnosti i metode prikupljanja, obrade i korišćenja po-dataka o prostoru dobijenih daljinskom detekcijom terena za potrebe do-pune topografske karte elementima geografskog sadržaja.
Obrada i analiza snimaka satelita IKONOS2 za potrebe dopune topografskih karata
Snimci dobijeni sa avio i satelitskih platformi predstavljaju veoma va-žan izvor podataka za proučavanje i predstavljanje prirodnih i veštačkih pojava na Zemljinoj površini. Razumevanje veza i odnosa između digital-nih vrednosti piksela zabeleženih na senzoru i pojava na terenu omogu-ćava pravilnu interpretaciju i analizu snimka.
Predmet eksperimenta, koji je prikazan u radu, jeste satelitski sni-mak područja grada Beograda, proizvod kompanije European Space Imaging, satelita IKONOS2. On pripada kategoriji GEO Ortho Kit proizvo-da, što znači da je približno georeferenciran i u potpunosti ortorektifiko-van. U tabeli 1 dati su detaljniji podaci o snimku.
Osnovni parametri snimka [5]
Tabela 1
Naziv senzora IKONOS2
Naziv kompanije European Space Imaging
Prostorna rezolucija 1 m
Nivo proizvoda Geo Ortho Kit
Tip snimka Panhromatski
Bitni zapis 11-bita
Kartografska projekcija UTM
Elipsoid WGS84
Visina orbite 450 km
Nagib optičke ose senzora 73,0927°
Vreme snimanja 2003-04-29 09:58 GMT
Pravac skeniranja Nazad
Azimut skeniranja 254,2177°
Bitan odgovor na pitanje izbora ovog snimka jeste u činjenici da se radi o vrlo kvalitetnom snimku, snimku visoke prostorne rezolucije od 1 m, koji je načinjen 2003. godine. Sa snimka područja grada Beograda, za potrebe eks-
perimenta izdvojen je jedan manji deo (slika 1). Za obradu je izabran satelit-ski snimak grada Beograda iz dva razloga; jedan je to što je na njemu pred-stavljeno mnogo objekata koji nisu prikazani na aktuelnim izdanjima topo-grafskih karata, zbog svoje neažurnosti i zastarelosti sadržaja. Sledeći razlog za izbor ovog snimka i područja je Beograd, kao kompleksan geoprostor za analizu svih parametara neophodnih za dopunu topografske osnove karte.
Slika 1 - Deo snimka satelita IKONOS2 [5]
Pored satelitskog snimka, za realizaciju eksperimenta je obezbeđe-na odgovarajuća topografska karta. Tako je za potrebe dopune karte ge-ografskim elementima sadržaja odabrana topografska karta razmera 1:25 000 (TK25), na kojoj se nalazi teritorija (slika 2) sa do sada nekarti-ranim delom geografskih elemenata. Jedan od ciljeva istraživanja u okvi-ru ovog rada jeste utvrđivanje mogućnosti i metoda dopune TK25 nedo-stajućim geografskim elementima njenog sadržaja.
Polazna i obavezna aktivnost koja prethodi sveukupnoj obradi snimaka i ažuriranju karte jeste skeniranje, odnosno prevođenje radnog materijala u di-gitalni oblik. Pošto je satelitski snimak isporučen u digitalnom obliku, samo je
(J55>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
izvršeno skeniranje topografskih karata. Skeniranje TK, tj. proces transforma-cije analognih podataka u digitalnu formu, je izvedeno na skeneru SHARP JX 6-10 u rezoluciji 300 dpi, a čije su fizičke mogućnosti 1 200 x 1 200 dpi i 16 miliona boja i interpolacijom 9 600 x 9 600 dpi.
Slika 2 - Topografska karta 1:25 000 [5]
Georeferenciranje satelitskog snimka IKONOS2
Postupak kojim se snimak uvodi u željeni koordinatni sistem preko orijentacionih tačaka (rektifikacija), pri čemu se snimak prevodi u projek-ciju što približniju ortogonalnoj naziva se georeferenciranje, a nivo geo-metrijske transformacije - spoljašnja geometrijska transformacija [5].
Postupkom georeferenciranja uspostavlja se određena matematička zavisnost između tačaka snimka i poznatih tačaka snimljenog terena. Te tačke nazivaju se tačkama za orijentaciju, kontrolnim ili GCP tačkama (Ground Control Points). One se definišu terenskim merenjima, pomoću prijemnika globalnog pozicionog sistema (GPS-a), očitavanjem sa topo-grafske karte, korišćenjem digitalnog modela terena (DMT) ili odgovara-
jućeg, prethodno već korigovanog satelitskog snimka iz istog ili drugog spektralnog područja. Kontrolne tačke na snimku se lociraju vizuelno, prepoznavanjem karakterističnih, lako prepoznatljivih tačaka ili objekata na snimku (istaknut oblik, raskrsnica puteva, presek pravaca i sl.) i njiho-vim pozicioniranjem na referentnoj podlozi. Iz razlika koordinata ovih ta-čaka i odgovarajućeg izravnanja dobijaju se parametri transformacija. Dalje se sve tačke snimka interpoluju uz pomoć izabranog modela re-kompozicije rastera. Izbor odgovarajućeg modela zavisi od: karaktera de-formacija, potrebne tačnosti, mogućnosti računara, i dr.
Proces georeferenciranja predviđa faze:
- određivanje GCP tačaka, ravnomerno raspoređenih na celoj povr-šini snimka,
- merenje GCP tačaka na snimku i
- transformaciju piksela ulaznog snimka odgovarajućim matematičkim modelom.
Prevođenjem snimaka u referentni državni koordinatni sistem posti-že se relativno pozicioniranje, što omogućava određivanje geo-matema-tičkih parametara kao što su daljina, oblik i površina. Postupak georeferenciranja je veoma važan, jer omogućuje da se podaci dobijeni na razli-čite načine koriste zajedno. Takođe, omogućuje da se podatak iskoristi za kvalitativne analize.
Postupci u toku obrade digitalnih snimaka
Satelitski snimci se, danas, gotovo uvek isporučuju u digitalnom obli-ku, već pripremljeni za dalju obradu. Pošto je i snimak koji je predviđen za analizu i interpretaciju u okviru sprovedenog eksperimenta takođe pre-uzet u digitalnom obliku, dalja obrada je sprovedena kroz četiri međusob-no uslovljene faze, kojima je snimak doveden u oblik pogodan za dalje korišćenje. Faze obrade snimaka su:
- prethodna obrada,
- poboljšanje kvaliteta snimka,
- transformacija snimka, i
- klasifikacija i analiza snimka.
Prethodna obrada snimka
Najveći nedostatak satelitskih snimaka, koji se u digitalnom obliku mogu koristiti pri izradi i vođenju radne karte, predstavlja niz grešaka (de-formacija) geometrijskog preslikavanja.
Deformacije u principu mogu biti radiometrijske, geometrijske i atmos-ferske. Radiometrijske deformacije se, uglavnom, javljaju kod satelitskih
(j57>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
snimaka. Nastaju usled položaja i orijentacije platforme satelita, kalibracije i normalizacije detektora, i drugo. Njihovo otklanjanje predstavlja najniži ni-vo korekcije. Ono, međutim, čini osnovu za otklanjanje geometrijskih defor-macija. Greške se na snimku mogu javiti i usled uticaja različitih atmosfer-skih fenomena. One se manifestuju prisustvom oblaka i zamagljenim izgle-dom snimka. Atmosferski uticaj uglavnom uslovljava čitljivost snimaka, nje-gov kontrast, delimična zatamnjenja, jača osvetljenja i slično.
Uzroci nastanka deformacija značajno se razlikuju kod aero i satelit-skih snimaka. Kod aerosnimaka deformacije nastaju kao rezultat projekcije u kojoj je snimak načinjen, visine vazduhoplova nad površinom terena, ži-žne daljine i nagiba optičke ose kamere. Značajna iskrivljenja mogu nastati i prilikom skeniranja, tj. pri prevođenju aerosnimaka u digitalni format. Sa-telitski snimak u digitalnom obliku je opterećen deformacijama koje su po-sledica nesavršenosti platformi i sistema za snimanje, uticaja sredine kroz koju su prošli elektromagnetni zraci, neravnosti terena, zakrivljenosti Ze-mljine površine, kao i nesavršenosti skenera kojima se vrši snimanje. Te deformacije, koje je neophodno otkloniti pre dalje obrade, ogledaju se u:
- promeni intenziteta sivog tona piksela koje su prouzrokovane oso-binama terena, objekta ili fenomena koji je snimljen, i
- pogrešnoj relativnoj poziciji piksela u rasterskoj matrici snimka.
Sve korekcije koje je neophodno izvršiti na snimcima mogu se pode-
liti na:
- radiometrijske,
- atmosferske, i
- geometrijske.
Radiometrijske korekcije su sprovedene nad satelitskim snimkom radi otklanjanja deformacija nastalih usled povećanog uticaja sredine na prostiranje elektromagnetnih talasa. Na osnovu provere, u okviru korišće-nog programskog paketa PCI Geomatica, potvrđeno je da je kompanija European Space Imaging u velikoj meri otklonila ovu vrstu deformacija.
Deformacije snimaka koje se manifestuju u vidu promena intenziteta sivog tona ili umanjena položajna tačnosti piksela proizvod su uticaja sredine kroz koju prolaze EM zraci. Ove korekcije se posebno izdvajaju i zo-vu se atmosferke. Savremeni pristup, kada je reč o atmosferskim korek-cijama, zasniva se na modelovanju atmosfere na osnovu parametara koji su izmereni u toku snimanja, kao što su: atmosferski pritisak, vlažnost vazduha, temperatura, procenat ozona, vrste aerosoli, procenat prašine, zenitni ugao sunca, ugao snimanja i drugo. Uobičajno je da kvalitetniji programski paketi za obradu snimaka imaju razrađene module za atmosferske korekcije nad SPOT, Landsat, IKONOS i drugim kosmičkim snimcima. Korišćeni program raspolaže kompletnim rešenjima za sprovođenje ovih korekcija. Njihovom primenom snimak je u potpunosti doveden u stanje koje obezbeđuje uspešan dalji tok obrade.
C6Đ
Poboljšanje kvaliteta snimka
Posle otklanjanja deformacija i uvođenja snimka u željeni koordinatni sistem u daljoj obradi pristupilo se poboljšanju njegovog kvaliteta i istica-nju podataka koje treba prikupiti. Pošto ljudsko oko razlikuje 20 do 30 ja-sno izdvojenih nivoa osvetljenja, bilo je potrebno da se uradi izoštravanje (enhancement), odnosno poboljšanje kvaliteta snimka, kako bi se olakša-lo razlikovanje vrednosti osvetljenja piksela, a samim time i bolje isticanje objekata i pojava na terenu. Proces poboljšanja snimka (image enhancement) vrši se isticanjem finih, teško uočljivih elemenata snimka.
Poboljšanje kvaliteta snimka može biti:
- radiometrijsko (radiometric enhancement):
о poboljšanje kontrasta (contrast enhancement),
о razvlačenje i ujednačavanje histograma (histogram stretching and equalization),
о optimizacija osvetljenosti (brightnes enhancement);
- prostorno (spatial enhancement):
о izoštravanje (sharpening),
о osrednjavanje (averagening),
о isticanje linijskih elemenata i ivica (edge enhancement);
- spektralno:
о analiza glavnih komponenti (principal components analysis).
Transformacija snimka
Raznim transformacijama se od neobrađenog stvara „novi" snimak, čime se bolje ističu određene pojave ili svojstva. Transformacija snimka je važan postupak u digitalnoj obradi, ali za potrebe geodezije, odnosno kartiranja ova faza nije od suštinskog značaja.
Nad snimkom su u ovom eksperimentu sprovedene osnovne transfor-macije u vidu prostih matematičkih operacija, kao što su oduzimanje ili delje-nje. Oduzimanjem je poboljšana količina osvetljenosti snimka dok je deljenjem poboljšan spektralni odgovor. Transformacija kojom se redukuje broj kanala sa originalnog snimka postignuta je u okviru korišćenog programskog paketa, analizom glavnih komponenti (Principal Components Analysis).
Geometrijska korekcija snimka
Prethodna obrada snimaka daljinske detekcije zasniva se na analiziranju radiometrijskih i geometrijskih karakteristika. Razumeva-njem ovih osobina snimka moguće je korigovati deformaciju snimka,
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
dokazati kvalitet i čitljivost. Obrađene su geometrijske deformacije i načini njihovog eliminisanja u okviru ovog eksperimenta. Veliki je broj faktora koji utiču na pojavu geometrijskih deformacija, a neki od njih su:
- kvalitet optike senzora,
- kretanje skenera,
- kretanje i nestabilnost platforme,
- visina, položaj i brzina platforme,
- oblik reljefa na površini Zemlje,
- zakrivljenost i rotacija Zemlje,
- ugao nagiba platforme,
- stanje atmosfere,
- deformacija optičkog sočiva kamere,
- ugao skeniranja, i
- kartografska projekcija.
Svaki snimak koji je nastao registracijom senzora, koji je pričvršćen na satelit, avion ili bilo koju drugu platformu, nosi u sebi razne geometrijske deformacije. Ovaj problem je dominantan u daljinskoj detekciji zbog nastojanja da se što vernije prikaže trodimenzionalna, zakrivljena površi-na Zemlje na dvodimenzionalnom snimku. Takođe, da bi se na snimku vršila bilo kakva precizna merenja potrebno je da snimak bude geometrij-ski korigovan.
Sistemi za snimanje, kao što su kamere u aerofotogrametriji, rade na principu ortogonalnog snimanja. Glavna greška koja se tom prilikom javlja jeste izmeštanje objekta. Objekti koji se nalaze u tački nadira ne-će biti pod uticajem ove greške. Međutim, objekti koji se nalaze van ove tačke biće pod uticajem ove greške i to u skladu sa udaljenošću od tač-ke nadira. Sto je objekat veći i udaljeniji od nadira to je uticaj ove greš-ke veći.
Obrađivani snimak je registrovan poprečnim skenerima i imao je sličnu deformaciju u geometriji kao i u slučaju kamera koje se koriste u aerofotogrametriji. Razlika je što se kod poprečnih skenera javljaju dve vrste grešaka u geometriji, što je prikazano na slici 3. Oni, takođe, izmeš-taju objekat (slika 3 A), ali samo u jednom pravcu i to paralelnom pravcu skeniranja. Kao i u aerofotogrametriji, u tački nadira nema izmeštanja objekta, a izmeštanje se povećava što je objekat dalji od centra zahvata. Druga greška u geometriji (slika 3 B) javlja se zbog toga što senzor sni-ma veći deo površi pri kraju zahvata nego u tački nadira. Daljina od senzora do površi Zemlje se povećava kako senzor ide dalje od tačke nadira, pa je i greška koja se javlja veća.
C7D
Slika 3 - Geometrijska deformacija snimaka registrovanih poprečnim skenerima [6]
Geometrijske karakteristike objekta takođe zavise od osobina geo-detskog koordinatnog sistema, kao što su projekcija karte i geodetski datum. Različiti satelitski sistemi usvajaju različite referentne kartografske projekcije i stvaraju snimak na osnovu njih. Rezultat ovih nesavršenosti doprinosi ukupnom geometrijskom izobličenju snimka.
Pošto se u ovom radu koristi IKONOS-ov satelitski snimak koji pripa-da HRSI generaciji, tj. visokorezolucijskim satelitskim snimcima, ovde će biti obrađene metode otklanjanja geometrijskih deformacija kod ovog i sličnih snimka. Da bi se lakše sagledao proces geometrijske korekcije snimaka visoke prostorne rezolucije, ceo postupak se može predstaviti slikom 4. Geometrijska transformacija koordinata snimka, odnosno celog snimka može se vršiti u dvodimenzionalnom i trodimenzionalnom siste-mu. Kod 2D transformacije koordinate se transformišu mnogobrojnim matematičkim modelima. Da bi se snimak transformisao u 3D sistemu neophodno je raspolagati i digitalnim modelom terena (DTM - Digital Terrain Model).
Unos snimka
Određivanje —Џ- Ocena |! Geometrijski
parametara tačnosti If; korigovan snimak
2D transformacija
3D transformacija
Slika 4 - Koraci u geometrijskoj korekciji snimaka [5]
OO
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Za geometrijsku korekciju satelitskih snimaka visoke prostorne rezo-lucije koriste se dva različita načina:
- parametarska transformacija (rigorozni, strogi model), i
- neparametarska transformacija (generalizovani model).
Godine 2004. Toutin je dokazao da je strogi (rigorozni) model bazi-ran na kolinearnoj jednakosti zasnovanoj na senzorskoj tehnici, koja se koristi u svim satelitima visoke rezolucije. Kod ovog modela transformaci-je određuju se parametri satelita, odnosno interpretira se model svemir-ske letelice, telemetrija sirovog snimka i kontrolne tačke na Zemlji. Geo-metrijska tačnost konačnog snimka u potpunosti zavisi od određivanja ovih parametara. U ovom slučaju orijentacija parametara je modelovana u vremenski zavisnim polinomima višeg reda od prvog, dok ocena nepo-znatih zahteva aproksimaciju početnih vrednosti koje su uzete iz osnov-nih podataka koji su obično dobijeni uz snimak.
Neparametarska transformacija se primenjuje na čitav izvorni snimak ili na samo neki njegov deo. Ovaj postupak je jednostavniji od pret-hodnog. Međutim, kompanije koje distribuiraju snimke nisu uvek voljne da korisnike snabdevaju detaljnim tehničkim informacijama o platformi koja je korišćena ili o karakteristikama senzora koje su neophodne da bi se primenio rigorozni model.
Zbog navedenih razloga u ovom eksperimentu je upotrebljen nepa-rametarski model ili, pravilnije, generalizovani model, i to model koji je baziran na 3D racionalnim polinomima, u literaturi poznatiji kao model ra-cionalnih funkcija - RFM (Rational Function Model). Analizirani model ka-rakterišu parametri:
- racionalni polinomski koeficijent (Rational Polynomial Coefficients),
- racionalna polinomska kamera (Rational Polynomial Camera),
- racionalni funkcionalni koeficijent (Rational Function Coefficients),
- model geometrije snimka (Image Geometry Model).
Analiza i interpretacija digitalnih snimaka
Veoma značajna faza obrade satelitskih snimaka je analiza i inter-pretacija snimaka. Analiza i interpretacija snimaka mogu biti: vizuelna i instrumentalna (računarska). Za obe analize veoma su važne rezolucija snimaka ili mogućnost raspoznavanja sadržaja na snimcima. Gotovo podjednako su značajne ove poznate vrste rezolucije snimaka:
- prostorna rezolucija (udaljenost na terenu),
- spektralna rezolucija (vrste i količina spektralnih kanala),
- radiometrijska rezolucija (odnosi se na jačinu signala; ukoliko je ja-či signal - lakša je automatska klasifikacija),
- vremenska rezolucija (koliko često satelit snima).
Analiza snimka je postupak utvrđivanja razlika u svojstvima i izdvaja-nje objekata ili područja terena po pojedinim svojstvima. Ta svojstva mo-gu biti npr. karakteristike reljefa (gustina drenaže, dubina usecanja, nagib padina i sl.), razlike u razvoju vegetacije, intenzitet tona na crnobelim snimcima, odnosno različite boje na kolor, falš kolor snimcima i kolor kompozitima, i sl. Da bi se objekat ili neka pojava u daljinskoj detekciji mogli analizirati i interpretirati oni moraju imati karakteristike da:
- cilj snimanja može biti tačka, linija ili površ, i
- cilj mora biti jasno prepoznatljiv, odnosno mora biti u kontrastu sa ostalim pojavama na snimku.
Analiza snimka se u principu može obaviti na dva suštinski različita nači-na. Tako razlikujemo vizuelnu ili logičku i instrumentalnu ili formalnu analizu. Kod prvog oblika analizu vrši čovek uočavanjem razlika i izdvajanjem područ-ja koja se po pojedinim svojstvima razlikuju od okoline. Nedostatak ovog vida analize jeste ograničena sposobnost ljudskog oka da uoči veći broj nijansi razlika jednog svojstva i subjektivnost čoveka pri oceni tog svojstva.
Drugi oblik analize obično se naziva i digitalna analiza, jer se vrši na digitalnim snimcima korišćenjem računara. Tim putem je donekle olakša-na analiza, jer se računaru mogu zadati algoritmi veličina talasnih dužina i registrovane elektromagnetne energije, ranije pomenut spektralni odgo-vor, po kojima će računar „prepoznavati" određene oblike koji se javljaju na snimku. U obradi snimaka u okviru sprovedenog eksperimenta kombi-novana su oba načina analize snimaka. Presudan uticaj na identifikaciju objekata na snimku imao je postupak instrumentalne ili digitalne analize.
I vizuelna i digitalna analiza imaju svoje prednosti i ograničenja. Jedna od prednosti vizuelne analize jeste što pored snimka ne iziskuje posebna druga sredstva, dok digitalna analiza zahteva specijalizovanu, često veoma skupu opremu. Najbolji rezultati dobijaju se kombinovanjem navedenih postupaka.
Pojam interpretacije u daljinskoj detekciji podrazumeva tumačenje ili, u ovom slučaju, davanje značenja područjima različitih svojstava, izdvo-jenim u analitičkom postupku. Interpretacija se obavlja isključivo logičkim putem. Iza postupka interpretacije mora stajati čovek sa svojim znanjem i sposobnošću selekcije podataka.
Savremeni razvoj računarske tehnike omogućio je da se identifi kaci-ja pojedinih područja izdvojenih na snimcima i njihovo označavanje odgo-varajućim simbolima može obavljati pomoću računara. Međutim, ovakav postupak se ne može smatrati instrumentalnom interpretacijom, jer klasi-fikaciju i tumačenje objekata u računar mora uneti čovek. Računar samo dalje obavlja identifikaciju, upoređivanje i izjednačavanje područja i objekata istih svojstava, odnosno vrši postupak instrumentalne analize.
Analiza i interpretacija predstavljaju jasno odvojene postupke i faze rada u postupku daljinske detekcije samo u slučajevima kada se obavlja formalna ili instrumentalna analiza.
CŽĐ
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Vizuelna analiza i interpretacija snimaka
Vizuelna analiza i interpretacija snimaka podrazumevaju registro-vanje i prepoznavanje različitih korisnih podataka putem čula vida. Ra-čunarski podržana analiza i fotointerpretacija vršene su na digitalnom snimku, koji je smešten u određene programe za obradu. Ovde se mi-sli na konverziju podataka, geometrijsku i radiometrijsku korekciju sni-maka.
Izvorni satelitski podaci bili su opterećeni greškama (uzroci su senzori, rotacija Zemlje i sl.). Kada su otklonjene greške prešlo se na konverziju podataka. Prvo je izvršeno uzorkovanje, koje predstavlja postupak opisivanja funkcija slike skupom diskretnih brojeva. Nakon uzorkovanja prešlo se na postupak kvantifikacije, tj. svaki uzorak je dobio određenu vrednost pozitiv-nog broja. Interpretacija multispektralnih satelitskih snimaka je najsloženiji, ali i najvažniji zadatak u daljinskoj detekciji i njoj je u ovom radu posvećena potrebna pažnja.
Elementi vizuelne analize i interpretacije
Vizuelna ili logička analiza obavljena je posmatranjem snimaka, uočavanjem razlika i izdvajanjem vojnih objekata, koji se po svojim ka-rakteristikama jako razlikuju od okoline. Veliku pomoć pri ovoj analizi predstavljali su demaskirajući znaci. Demaskirajući znak je karakteristi-čan znak, pojava, svojstvo ili aktivnost pomoću kojeg se izviđanjem sa zemlje (mora) i iz vazdušnog prostora (kosmosa) može otkriti prisutnost ili prepoznati neki predmet, tehnički objekat, pojedinac, grupa vojnika ili jedinica na položaju, u pokretu i sl. Takvih znakova, koji demaskiraju voj-nu tehniku u odnosu na urbanu sredinu u kojoj se nalaze, bilo je mnogo na analiziranom snimku.
Prepoznavanje objekta bilo je ključno kod interpretacije i korišće-nja informacija pri obradi snimka. Uočavanje razlika između objekta i njegove pozadine postignuto je upoređivanjem na osnovu sledećih vi-zuelnih elemenata, kao što su: ton, oblik, veličina, stil, tekstura, senka i asocijacija.
Ton se odnosi na količinu osvetljenosti ili boje objekta na snimku (slika 5) i predstavlja osnovni element za razlikovanje različitih objekata. Boja ima danas, u uslovima sve masovnije primene fotografije i nekih op-toelektronskih sredstava za izviđanje i snimanje (IC uređaji i spektralna televizija), odlučujući uticaj na otkrivanje maskiranih objekata i sredstava.
I u toku interpretacije u okviru sprovedene obrade snimaka boja je imala veliki značaj pri otkrivanju vojne tehnike.
Slika 5 - Ton kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Oblik ukazuje na strukturu ili konturu pojedinačnog objekta (slika 6). On ima ogroman doprinos u interpretaciji snimaka. Neobrađeno zemljište karakterišu raznovrsni nepravilni oblici, dok obrađeno zemljište i veštački objekti (bunkeri, uređeni sistem rovova i saobraćajnica i sl.), kao i otkrive-na vojna borbena sredstva, imaju geometrijski pravilne oblike, koji privla-če pažnju stručnog lica koje dešifruje snimke. Uz pomoć ovog vizuelnog elementa ostvareno je izdvajanje tenkova od ostale tehnike u neposred-nom okruženju (kamiona, putničkih i manjih terenskih vozila).
Slika 6 - Oblik kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Veličina nekog objekta na snimku je u funkciji razmere i omogućava da se dva bliska objekta istog oblika međusobno razlikuju (slika 7). Na primer, ako interpretator vrši analizu upotrebe zemljišta i ako je identifiko-vao jedan deo zemljišta brojem zgrada na njemu, velike zgrade kao što su fabrike ili hangari će sugerisati komercijalnu upotrebu, dok male zgrade ukazuju na stambenu upotrebu. Bitno je što je odmah uočena veličina posmatranih objekata u poređenju sa drugim pojavama na snimku, pa je interpretacija dalje tekla lakše i brže.
c^o
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Slika 7 - Veličina kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Stil (šablon) odnosi se na prostornu uređenost primetno vidljivih objekata (slika 8). Tipična i česta ponavljanja tonova i oblika utiču na to da se neki objekti, poput voćnjaka sa ravnomerno raspoređenim drve-ćem, ili gradske ulice sa pravilno postavljenim kućama, veoma lako uoča-vaju i predstavljaju dobre primere stila. Ovaj element može dosta da po-mogne pri otkrivanju rasporeda vojnih jedinica i njihovih borbenih sred-stava, pošto je taj raspored, uglavnom, unapred definisan i izučavan.
Slika 8 - Stil (šablon) sportskog igrališta kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Tekstura se odnosi na raspored učestalosti tonskih varijacija na po-jedinim delovima snimka (slika 9). Gruba tekstura sastoji se od išaranih tonova, gde se sivi tonovi menjaju na malim površinama, dok se kod fine teksture sivi tonovi menjaju u malim tonskim vrednostima. Fina tekstura je najčešće rezultat jednoobraznih površina, kao što su asfaltni put ili travnati tereni. Tekstura je jedan od najvažnijih elemenata raspoznavanja pojava na radarskom snimku, dok kod interpretacije sadržaja ovde obra-đivanih snimaka nije imala veći uticaj.
Slika 9 - Tekstura kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Senka, kao demaskirajući znak, redovni je pratilac svakog objekta (tehničkog sredstva ili čoveka). Pojavljuje se uvek kada je objekat osve-tljen sunčevom ili veštačkom svetlošću. Zbog oštrih kontura, naročito pri sunčanom vremenu, senka je veoma uočljiv demaskirajući znak, po kome je lako otkriti i prepoznati posmatrani objekat. Prema poreklu i načinu ma-nifestacije razlikuju se vlastita i bačena senka. Senka je koristan podatak u inerpretaciji, ukoliko je moguće predvideti predstavu profila i relativne visi-ne objekta ili objekata tako da se identifikacija učini lakšom (slika 10). Isto tako, ona zaklanja objekte, tako da je objekte u senci teško ili gotovo ne-moguće uočiti. Senka je dosta pomogla pri interpretaciji sadržaja snimka u ovom eksperimentu, jer su unapred poznati profil, oblik i veličina borbenih sredstava kojima vojska raspolaže. Ovaj vizuelni element imao je veliki uti-caj pri izdvajanju tenkova od ostalih vozila u neposrednoj blizini.
Slika 10 - Senka kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Asocijacija uzima u obzir odnos između neke određene prepozna-tljive pojave i zastupljenosti pojave koja se ispituje (slika 11). Na primer, industrijski deo grada je u asocijaciji sa zastupljenošću komunikacija.
СГ>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Slika 11 - Asocijacija kao vizuelni element analize i interpretacije snimka [5]
Digitalna analiza snimaka
Digitalni snimci mogu se uskladištiti u memoriji računara u vidu da-toteke podataka na neki od medija (disk ili magnetna traka), a mogu se pri-kazati i kao crnobeli ili kolor snimci na monitoru, ili kao izlazni podatak u obliku filma ili papirne kopije (slika 12). Takođe, mogu se prikazati i kao niz brojeva za potrebe numeričke analize. Prednost digitalnih snimaka nad analognim ogleda se u mogućnosti obrađivanja, umnožavanja i slanja na velike razdaljine u kratkom roku bez promene ili gubitka informacija.
Slika 12 - Digitalna analiza snimka [1]
Digitalna (formalna) analiza obavlja se instrumentalnim putem. Pri tome se najčešće koriste snimci u digitalizovanom obliku, pa je i ceo postupak po-znat pod imenom digitalna analiza. Suštinsku prednost formalne analize nad logičkom čine daleko širi spektar razlika u svojstvima koje se mogu registrovati, kao i veća objektivnost postupka. Merenjem količine svetlosti odbijene od snimka (ili propuštene kroz snimak u slučaju dijapozitiva) može se uočiti i iz-dvojiti neuporedivo veći broj tonskih razlika nego vizuelnim osmatranjem. U ovom slučaju razlike u intenzitetu tona sive boje iskazane su kvantitativno, što omogućuje potpuno objektivno razgraničenje po zahtevanim kategorijama i po-uzdano izjednačavanje objekata i područja istih svojstava. Pored toga, instrumental^ analitički postupak je znatno brži i efikasniji od vizuelnog posmatranja.
Digitalna analiza obuhvata brojne postupke, uključujući oblikovanje i otklanjanje deformacija, digitalno poboljšanje snimka, kako bi se pobolj-šala njegova interpretacija. Uspeh ove vrste analize obezbeđuju relativno jeftini, multifunkcionalni i sve zastupljeniji personalni računari. Ono što danas predstavlja poteškoću u finansijskom smislu su dosta skupi softve-ri koji su potrebni za rad na računaru.
Veliko ograničenje digitalne ili instrumentalne analize predstavlja nemo-gućnost selekcije podataka. Instrumentalno merenje tako će dati anomalnu vrednost, kako na zatamnjenju snimka nastalom usled promene litološkog sa-stava, tako i na zatamnjenju nastalom kao posledica senke na kanjonskoj strani. Zato je razumljivo da instrumentalno izdvojena anomalna područja, pri tumačenju njihovog značenja, zahtevaju mnogo veću pažnju i oprez nego što je to slučaj kod logičke analize. Pri analiziranju sadržaja obrađivanog snimka u okviru sprovedenog eksperimenta uopšte nije ispoljena nemogućnost selekcije podataka, jer konfiguracija zahvaćenog terena, kao i veličina istraživanih objekata, nisu mogli prouzrokovati nikakva zatamnjenja na snimku. Pošto su prethodno uspešno otklonjene sve deformacije, izvršena prethodna obrada i sprovedeno digitalno poboljšanje visokokvalitetnog snimka, sama realizacija postupaka vizuelne i digitalne analize u velikoj meri bila je olakšana.
Informacija
Podatak je predstava nekog objekta, pojave ili procesa u realnom vremenu, dok se samo obrađeni podatak koji je spreman za upotrebu na-ziva informacija.
Informacije za upotrebu, dobijene daljinskom detekcijom su specifič-ne u odnosu na druga istraživanja životne sredine. Na osnovu proizvoda daljinske detekcije može se izvoditi sinteza određenih prostornih podataka, kao i proučavati znatno veća površina prostora nego što je to slučaj sa terenskim istraživanjima. Proizvodi daljinske detekcije su znatno jefti-niji i mnogo racionalniji od samog terenskog rada.
Krajnji rezultat i cilj analize i interpretacije snimaka ili celokupnog procesa daljinske detekcije, predstavlja korisna informacija o objektu na
C^9>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
terenu. Informacija dobijena primenom daljinske detekcije terena, kvalita-tivno i kvantitativno se razlikuje od rezultata drugih vrsta istraživanja.
Novi kvalitet podacima daljinske detekcije daju i snimanja u nevidlji-vim delovima spektra elektromagnetne energije. Njeni senzori se projek-tuju tako da registruju određeni opseg EM zračenja, a kombinacijom više senzora na različitim kanalima (opsezima) registracije može se unaprediti analiza i interpretacija snimljenog sadržaja.
Terenska merenja nikada ne pokrivaju celu površinu istraživanog područja. Primenom postupaka daljinske detekcije, logičke ili instrumen-talne analize i interpretacije, merenja na snimku se obavljaju na celoj po-vršini snimka. Prohodnost terena, spoljni klimatski uslovi, doba dana i drugi ograničavajući faktori terenskih merenja, nisu od uticaja na merenja na snimku u domenu daljinske detekcije.
Kvantitativna i kvalitativna vrednost dobijenih informacija daljinske detekcije, kao nove i drugačije kategorije podataka, nije u suprotnosti i ne isključuje rezultate klasičnih metoda merenja, već se međusobno dopunjuju, što ih čini objektivnijim i pouzdanijim. Primenom daljinske detekcije ceo proces geodet-skih radova se usmerava i postaje efikasniji, ekonomičniji i racionalniji.
Prilog 1
Nedostajući geografski sadržaj - kartiran u vektorskom obliku
Kao najbolji pokazatelj velikih mogućnosti u korišćenju satelitskih snima-ka u kartografskoj praksi, primenom kvalitetnih softverskih rešenja, u okviru eksperimenta je izvršena dopuna topografske karte nedostajućim topograf-skim sadržajem. Na osnovu satelitskih snimaka visoke prostorne rezolucije uspešno je, u vektorskom obliku kartiran nedostajući geografski sadržaj - pri-log 1, a zatim je isti sadržaj u potpunosti prenet na topografsku kartu krupnog razmera 1:25 000 i time je izvršena dopuna topografske karte - prilog 2.
Prilog 2.
Ažuriranje topografske karte nedostajućim geografskim elementima
dD
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Na osnovu teorijskih postavki i rezultata sprovedenog eksperimenta, pokazala se realnom mogućnost dopune topografskog sadržaja karte po-dacima sa satelitskih snimaka. Pošto je uspešno izvršena dopuna karte krupnog razmera, sigurno se rezultati ovog rada mogu primenjivati pri iz-radi i dopuni raznih tematskih kartografskih proizvoda najšireg kruga kori-snika.
Zaključak
Komercijalni satelitski sistemi proizvode sve kvalitetnije snimke čija prostorna rezolucija postiže vrednosti ispod jednog metra. Institucije koje kontrolišu satelitske sisteme i vrše prodaju i distribuciju kosmičkih snimaka obavljaju sve veći stepen njihove obrade i na tržištu se pojavljuju ne samo sa snimcima već i sa gotovim podacima u nekom od javnih formata i u nekom od širokorasprostranjenih koordinatnih sistema.
Dostignuti nivo razvoja računarske opreme može da obezbedi uspeh pri otkrivanju, prepoznavanju, tehničkoj analizi i prezentovanju geograf-skih elemenata sadržaja snimaka u procesu dopune topografske karte.
Ažuriranje topografske karte geografskim elementima topografske podloge moguće je izvršiti sa potrebnom tačnošću (sa tačnošću izrade karte koja se obrađuje) na osnovu daljinske detekcije terena, tj. moguće je računarskom obradom i interpretacijom snimaka različitog porekla (u prvom redu satelitskih snimaka) prikupiti podatke o geografskim elementima i predstaviti ih na karti i tako izvršiti njenu dopunu.
Sa porastom prostorne rezolucije kosmičkih snimaka i padom njiho-ve cene aviosnimanja se sve češće izvode samo za potrebe izrade krup-norazmernih geodetskih podloga i razne specifične namene.
Literatura
[1] Canada centre for remote sensing: Fundamentals of Remote Sensing, Natural Resources Canada, 2002.
[2] Karsten, J.: Orthoimages and DEMs by QuickBird and IKONOS, EARSeL Symposium Prague, 2002.
[3] Oluić, M.: Snimanje i istraživanje Zemlje iz svemira, sateliti-senzori-primjena, Hrvatska akademija znanosti i umjetnosti, Zagreb, 2001.
[4] Pavlović, R., Čupković, T., Marković, M.: Daljiinska detekcija, Rudarsko-geološki fakultet, Beograd, 2001.
[5] Regodić, M.: Ažuriranje radne karte daljinskom detekcijom terena, doktorska disertacija,Vojna akademija Beograd, 2007.
[6] htpp://images.google.com/images, novembar 2008.
[7] htpp://www.nrsc.co.uk, novembar 2008.
AN APPLICATION OF SATELLITE IMAGES FOR IMPROVING THE CONTENT OF TOPOGRAPHIC MAPS
Summary:
Lack of updated content of topographic maps (TMs), mainly due to economic issues regarding the publishing of existing or revised TMs, substantially affects geo-topographic supply (GTS) of the Army both in peace and warfare time, as well as shortage of other geo-topographic materials (GTMs). The solution to this problem is in finding an appropriate method of using products of all types of remote sensing, high-quality satellite images in particular. Having shown the best possibilities of remote sensing while using satellite images in mapping through the quality software solutions, the author presents an addition to topographic maps based on missing topographic data.
Introduction
Numerous natural and social phenomena are constantly observed, surveyed, registered and analyzed. Permanent or periodical satellite surveillance and recording for different purposes are growing in importance. The purposes can range from meteorological issues, through study of large water surfaces to military intelligence, etc. These recording can be used in making topographic, thematic and working maps as well as other geo-topographic material.
Processing and analysing of ikonos2 satellite images for complementing the content of topographic maps
Images taken from aircraft and satellite platforms are very important sources of data for studying and presenting natural and artificial phenomena on the Earth. Understanding the links and relations between digital values of pixels recorded on sensors and the phenomena on a terrain enables a proper interpretation and analysis of an image.
The subject of the experiment presented in this article is a satellite image of the Belgrade city area, made by the IKONOS 2 satellite of the European Space Imaging Company. It belongs to the GEO Ortho Kit products category, which means that it is approximately georeferen-ced and completely orthorectified.
Georeferencing of an ikonos2 satellite image
A procedure in which an image is taken into a desired coordinate system through orientation points (rectification), where the image is conveyed into a projection close to the orthogonal one, is called geore-ferencing (process of conveying an image into a reference coordinate system), while the level of geometric transformation is external geometrical transformation [5]. By georeferencing we establish certain mathematical dependence between the points on the image and the known points of the surveyed terrain. These points are called orientation points, control or GCP points (Ground Control Points).
C83>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 10
Procedures of digital image processing image pre-processing
The biggest deficiency of satellite images that could be used in a digital form for making and maintaining working maps is a series of mistakes (deformations) of geometric mapping.
These deformations that should be removed before further processing are viewed as:
- A change of intensity of pixel grey tone caused by the characteristics of the surveyed terrain, object or phenomenon, and
- A wrong relative position of a pixel in the image raster matrix.
Image quality enhancement
After removing deformations and taking image into a desired coordinate system, in further image processing, it is necessary toimprove its quality and emphasize the date to be collected. The enhancement of image quality can be:
- radiometric (radiometric enhancement)
- contrast enhancement
- histogram stretching and equalization
- brightness optimization (brightness enhancement),
- spatial enhancement
- sharpening
- averagening
- pointing out line elements and edges (edge enhancement)
- spectral enhancement
- principal components analysis
Image conveying
By various image transformations (conveying), we get a “new" image from a raw one, which results in emphasizing certain phenomena and attributes. Image transformation is an important step in digital processing, but for the geodesy purposes, i.e. mapping, this phase is not of essential importance.
Geometric image correction
Previous image processing of remote sensing is based on the analysis of radiometric and geometric characteristics. By understanding these image attributes, it is possible to correct image deformations, prove the quality and readability. Within this experiment, geometric deformations and a way of eliminating them were processed.
Digital image analysis and interpretation
A very important phase of satellite images processing is image analysis and interpretation. The analysis and interpretation can be visual and instrumental (by computer). The image resolution and possibility of
C8D
recognizing image content are important for both of them. The analysis is a procedure of determining differences in characteristics and extraction of objects or terrain area based on their individual attributes.
Visual image analysis and interpretation
A visual image analysis and interpretation include registration and recognition of various useful data by eyesight. Computer added analysis and photo-interpretation- data conversion, geometric and radiometric image correction.-were done on a digital image.
Elements of visual image analysis and interpretation
A visual or logical analysis was done by observing images, notifying the differences and extracting military objects, which, due to their characteristics, differ very much from the surroundings. The recognition of objects was essential during data interpretation and application while processing the image. Finding differences between the object and the background was accomplished by a comparison based on the following visual elements: tone, shape, size, style, texture, shadow and associations.
Digital image analysis
Digital images can be stored in computer memory as data files, on the one of media (disc or magnetic tape), and can also be shown as black-white or colour images on a monitor, or as a data output as a film or a hard copy. A digital (formal) analysis is taken instrumentally. In that case images in a digital form are most often used, so the total procedure is known as digital analysis. The digital analysis contains numerous procedures, including forming and removing deformations and digital image enhancement, in order to enhance its interpretation.
Information
A datum is a real-time representation of an object, phenomenon or process, while only a processed datum, ready to be used, is called information. The final result and aim of the image analysis and interpretation or of the whole remote sensing process is useful information about an object on the terrain. The information gained by remote sensing of the terrain qualitatively and quantitatively differs from other types of research results.
Key words: topographic map, satellite surveys, geographic elements.
Datum prijema članka: 23. 01.2009.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 06. 10. 2009.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 08. 10. 2009.
C85>
Regodić, M., Primena satelitskih snimaka za dopunu sadržaja topografskih karata, str. 63-85
