Кравцова В.И. Генерализация аэрокосмического изображения: континуальные и дискретные снимки - файл 5.4.doc

приобрести
Кравцова В.И. Генерализация аэрокосмического изображения: континуальные и дискретные снимки
скачать (4064.2 kb.)
Доступные файлы (27):
n1.doc50kb.17.04.2007 16:36скачать
n2.doc27kb.27.04.2007 16:44скачать
n3.doc33kb.26.03.2011 00:07скачать
2.1.doc139kb.20.04.2007 18:04скачать
2.2.doc102kb.20.04.2007 18:19скачать
2.3.doc152kb.20.04.2007 18:41скачать
3.1.doc134kb.23.04.2007 09:39скачать
3.2.doc133kb.23.04.2007 10:15скачать
3.3.doc190kb.23.04.2007 10:32скачать
4.1.doc289kb.30.05.2007 09:05скачать
4.2.doc731kb.30.05.2007 09:07скачать
4.3.doc29kb.23.04.2007 13:09скачать
4.4.doc27kb.23.04.2007 13:12скачать
5.1.doc30kb.23.04.2007 13:19скачать
5.2.doc218kb.23.04.2007 13:37скачать
5.3.doc629kb.24.04.2007 16:31скачать
5.4.doc826kb.27.04.2007 16:45скачать
5.5.doc33kb.27.04.2007 14:11скачать
5.6.doc25kb.26.03.2011 00:04скачать
6.1.doc385kb.27.04.2007 14:42скачать
6.2.doc504kb.27.04.2007 16:39скачать
1.1.doc29kb.17.04.2007 16:50скачать
1.2.doc64kb.17.04.2007 17:18скачать
1.3.doc834kb.20.04.2007 17:23скачать
1.4.doc117kb.20.04.2007 17:33скачать
1.5.doc33kb.20.04.2007 17:42скачать
1.6.doc33kb.20.04.2007 17:46скачать

5.4.doc

5.4. Закономерности пиксельной генерализации по результатам компьютерного совмещения изображений
5.4.1. Выделение контуров лесов
КОМПЬЮТЕРНОЕ совмещение изображений с полным набором присущих им яркостей дало бы очень сложную картину, затруднив извлечение из нее полезной информации. Чтобы облегчить задачу, сравниваемые изображения необходимо подготовить, упростить, выделив на них только интересующие исследователя объекты. В нашем случае, когда нас интересуют темные объекты (леса) и светлые (заснеженные безлесные территории), удобно прибегнуть к приему бинаризации изображений, выделив на них только эти два объекта: "лес" и "не лес". Такие бинарные изображения легко поддаются затем совмещению и количественным оценкам.

Для разделения контуров лесов и безлесных территорий на снимках использован метод яркостного квантования при выборе уровня квантования по гистограмме. Контроль правильности выделения лесных массивов в результате квантования осуществлялся при сравнении с фотографическими снимками, сделанными камерой МК-4 со спутника "Ресурс-Ф" с разрешением 10м, увеличенными до масштаба 1:100 000. Цветные спектрозональные снимки при печати с желтым фильтром, т. е. с естественной цветопередачей, полученные в ранне-летнее время, позволяли надежно идентифицировать участки лесов.

Однако при подготовке бинаризованных снимков оказалось, что надежное выделение небольших контуров лесов среди безлесных пространств и небольших безлесных участков среди лесов при едином уровне квантования для всей площади снимка не удается. При подходящем для выделения мелких лесов уровне квантования оказывались неудовлетворительно выделенными мелкие безлесные участки среди лесов, и, напротив, уровень, подходящий для полян, оказывался неудовлетворительным для выделения мелких лесов. Это явление, заслуживающее специального изучения и рассмотренное в отдельной работе (Кравцова, Воробьева, 2000), побудило нас использовать дифференцированные уровни квантования для участков преимущественного распространения лесов и преимущественного распространения безлесных пространств. С этой целью путем грубой обводки контуров крупных лесных массивов были созданы маски контуров лесов и безлесных пространств (рис. 5.14) и далее выполнялось квантование по разному яркостному порогу для разных частей изображения.



Рис. 5.14. Маски преимущественно занесенных и безлесных пространств для раздельного квантования снимков с целью выделения лесов и безлесных участков

Уровни квантования выбраны после детальной оценки правильности выделения контуров при сравнении с фотографическим снимком высокого разрешения. Бинаризованные маскированные изображения затем были объединены попарно с использованием оператора сложения изображений. Такая методика использована при подготовке обеих выбранных для сравнения пар изображений: МСУ-Э и МСУ-СК, МСУ-СК и АVHRR.

В результате получены пары изображений идентичной территории, одного масштаба, в одинаковой проекции и с выделенными одинаковыми двумя классами объектов ("лес" и "не лес"), подготовленные для компьютерного совмещения (рис. 5.15, 5.16).



Рис. 5.15. Бинаризованные изображения МСУ-Э (а) и МСУ-СК (b) на эталонный участок №1 (Западный), подготовленные для компьютерного совмещения в масштабе 1:100 000



Рис. 5.16. Бинаризованные изображения МСУ-СК (а) и АVHRR (b), подготовленные для компьютерного совмещения в масштабе 1:500 000
5.4.2. Особенности пиксельной генерализации по результатам совмещения снимков высокого и среднего разрешения (35 м и 152 м)
КОМПЬЮТЕРНОЕ сопоставление контуров лесов, выделенных по снимкам разного разрешения, выполнено двумя путями. Первый предусматривает работу с изображениями в растровом формате и получение при совмещении двух сравниваемых изображений в модуле Modeler программного пакета ЕRDAS Imagine результирующего изображения, в котором выделяются 4 класса объектов – совпадающие на обоих изображениях площади лесных массивов и безлесных пространств, а также расхождения между ними в сторону преуменьшения и преувеличения площадей лесов (рис. 5.17). Этот путь позволяет наглядно представить изменение изображения с увеличением размера пикселов – особенности исчезновения и сохранения участков леса среди безлесных пространств и безлесных участков среди лесов, проследить специфику отображения пограничных областей, особенности пиксельной перестройки изображения.

Второй путь связан с векторизацией полученных бинарных изображений и их дальнейшим совмещением. Векторные слои позволяют получать количественную информацию о каждом контуре или о группе контуров - их количестве, площадях, периметре, общей протяженности границ контуров; определение этих параметров на векторных изображениях обеспечено программными модулями пакетов ЕRDAS Imagine и АRC/INFO. Поэтому этот путь открывает возможность статистического анализа перестройки изображения – выявления площадей исчезающих и сохраняющихся контуров, изменений протяженности границ лесов, их извилистости. Выделение границ лесных массивов (путем векторизации растрового изображения, полученного в результате бинаризации) и совмещение рисунка линий границ на снимке более высокого разрешения с растровым изображением меньшего разрешения, увеличенным до проявления его пиксельной структуры (рис. 5.18), также позволяет в деталях проанализировать преобразование пиксельного изображения при увеличении размера пикселов для выявления особенностей пиксельной генерализации.

Анализ совмещенного пиксельного изображения снимков МСУ-Э и МСУ-СК в растровом формате (см. рис. 5.17) показал следующее.

В целом картина распределения лесных и безлесных пространств на снимке МСУ-СК по сравнению со снимком МСУ-Э передается достаточно хорошо. Сохраняется подобие контуров крупных безлесных участков и характер раздробленности лесных массивов, их нарушенность полянами, сельскохозяйственными угодьями, вырубками и другими антропогенными объектами.



Рис. 5.17. Результаты совмещения растровых бинаризованных изображений МСУ-Э и МСУ-СК на эталонный участок N1 (Западный) в масштабе 1:100 000: 1 лес на обоих снимках; 2 поляны на обоих снимках; 3 лес на снимках МСУ-Э, поляны на снимках МСУ-СК; 4 поляны на снимках МСУ-Э, лес на снимках МСУ-СК
Суммарные площади лесов и безлесных пространств разного типа (далее будем называть их полянами), полученные в результате дифференцированного квантования снимков, для эталонного участка №1 показаны в табл. 5.2.

Леса на снимке МСУ-Э занимают 58,7 % от всей площади, а на снимке МСУ-СК – 59,6 %. Таким образом, расхождение в площади лесов на обеих снимках составляет всего 0,9 %.

Однако совмещение схем лесов, полученных по снимкам МСУ-Э и МСУ-СК, показывает, что при почти одинаковых общих площадях лесов и полян, на самом деле наблюдаются расхождения в положении контуров, поэтому площади лесов и полян, однозначно классифицированных по обоим снимкам, различаются значительно сильнее.


Рис. 5.18. Результаты совмещения векторного изображения границ лесов, выделенных по снимку МСУ-Э, и растрового бинаризованного изображения МСУ-СК на эталонный участок №1 (Западный) в масштабе 1:100 000

Таблица 5.2

Суммарные площади лесов и полян на снимках МСУ-Э и МСУ-СК (эталонный участок №1)

Классы

объектов

Площадь,

pix

Площадь,

км2

Доля от площади участка, %

МСУ – Э

Леса

91 740

112,38

58,7

Поляны

64 470

78,98

41,3

Общая площадь

156 210

191,36

100,0

МСУ – СК

Леса

4 936

114,0

59,6

Поляны

3 346

77,3

40,4

Общая площадь

8 282

191,36

100,0


Из табл. 5.3. следует, что на 12,6% от общей площади тестового участка наблюдается расхождение классов объектов, выделенных по разным снимкам, т. е. на снимке МСУ-СК появляется изображение лесов на месте полян, изобразившихся на снимке МСУ-Э (7,1%), и, напротив, на снимке МСУ-СК изображаются поляны на месте лесов, изобразившихся на снимке МСУ-Э (5,5%).

Таблица 5.3

Соотношение площадей лесов и полян на снимках МСУ-Э и МСУ-СК (эталонный участок №1)

МСУ–Э

МСУ–СК

Площадь, pixМСУ – Э

Площадь,

км2

Доля от площади участка, %

Лес

Лес

83 980

102,87

53,8

Поляны

Поляны

52 552

64,38

33,6

Лес

Поляны

8 538

10,46

5,5

Поляны

Лес

11 140

13,65

7,1

Общая площадь

156 210

191,36

100,0


Проанализируем, как распределяются эти расхождения по территории; для этого целесообразно перейти к анализу векторных изображений (см. рис. 5.18). Выполним его раздельно для контуров лесов и безлесных участков.

Мелкие контуры лесов. Характерно исчезновение на снимке МСУ-СК мелких контуров лесов, изобразившихся на снимке МСУ-Э. На данном участке исчезло всего 116 контуров площадью от 1 225 до 330 750 м2. Более детальная характеристика этих контуров по группам приведена в табл. 5.4.

Исчезновение 97 мелких контуров (составляющих 95% от общего числа исчезнувших) вполне объяснимо, учитывая что их площадь на снимке МСУ-Э соизмерима с площадью 1 пиксела на снимке МСУ-СК или значительно меньше. Нужно отметить, что из субпиксельных контуров этой группы в первую очередь исчезают вытянутые контура лесов вдоль рек и вдоль дорог шириной порядка 35-70 м, т. е. в 2-4 раза меньше, чем разрешение снимка МСУ-СК. Они образуют на снимке МСУ-СК "смешанные" пикселы, в которых яркость по сравнению с яркостью лесов увеличивается и такие контуры как бы "размываются" по площади пиксела.

Таблица 5.4

Характеристика мелких контуров лесов снимка МСУ-Э, не отобразившихся на снимке МСУ-СК




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-Э, м2

Площадь контуров, pixМСУ-Э

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Суммарная площадь группы контуров на МСУ-Э, м2

Протяженность границ, м

1

97

1 225-

24 500

1-20

0,1-1,1

515 725

30 660

2

16

28 175-

79 625

23-65

1,2-3,4

742 350

20 230

3

3

101 675

226 625

330 750

83

185

270

4,4

9,8

14,3


659 050



11 340


всего

116

1 225-

330 750

1-270

0,1-14,3

1 917 125

62 230



Особого внимания требует вторая группа из 16 контуров (5% от числа исчезнувших) размером от 1 до 3 пикселов снимка МСУ-СК. Исчезновение таких контуров не повсеместно, некоторые контуры такого же размера отобразились как леса на снимке МСУ-СК (табл. 5.5). Половина из исчезнувших контуров этой группы имеют компактную, а другая – вытянутую форму. В экспериментах по геометрическому моделированию пиксельного воспроизведения малых объектов (см. раздел 4.2.1) было показано, что для объектов размером 2-3 пиксела их воспроизводимость определяется положением относительно линий и узлов сетки пикселов, и только начиная с размера 4 пиксела обеспечивается воспроизведение компактных объектов. Отмеченное в нашем случае частичное исчезновение объектов размером до 3 пикселов, таким образом, вполне закономерно и согласуется с результатами геометрического моделирования.

Относительно трех крупных контуров, неизобразившихся на снимке МСУ-СК, необходимо оговориться, что один из них имеет вытянутую форму и относится к полосе древесных насаждений вдоль железной дороги. Так как ширина полосы составляет порядка 70 м, то вполне закономерно ее исчезновение на снимке МСУ-СК, где размер пиксела равен 152 м. Два другие относятся не к лесным участкам, а к прудам, яркостные характеристики которых оказались близкими к лесам на снимке МСУ-Э. Такие контура подлежат изъятию при дополнительном редактировании и при анализе не должны учитываться.

В то же время, на снимке МСУ-СК отобразились 7 обособленных контуров лесов площадью от 1 до 4 пикселов на месте контуров лесов снимка МСУ-Э, по размеру аналогичных исчезнувшим контурам второй группы. Их количественные характеристики представлены в табл. 5.5.

Первые 4 контура воспроизвелись на снимке МСУ-СК как од-нопиксельные, хотя их площадь на снимке МСУ-Э соответствует от 1 до 4 пикселов снимка МСУ-СК. Уменьшение площади наблюдается и для контуров, имеющих 2-3-пиксельные размеры на снимке МСУ-СК. Такое уменьшение площади с увеличением размера пиксела вполне соответствует выявленному при геометрическом моделировании пиксельной генерализации сокращению площади малых объектов за счет пограничной каймы смешанных пикселов (см. раздел 4.2.1).

Мелкие контуры безлесных участков. Такие же особенности отмечаются в отображении на снимке МСУ-СК небольших безлесных участков среди лесов - сельскохозяйственных полей, вырубок, полян. Характерно исчезновение на снимке МСУ-СК мелких контуров полян, изобразившихся на снимке МСУ-Э. На данном участке исчезло 113 таких контуров, количественные характеристики которых приведены в табл. 5.6.

Исчезновение 89 самых мелких контуров (79% от всех исчезнувших) вполне объяснимо - их площадь на снимке МСУ-Э соизмерима с площадью 1 пиксела на снимке МСУ-СК или значительно меньше и такие мелкие поляны среди лесов пропадают, точно так же, как и мелкие лесные контуры среди безлесных пространств.

Исчезновение контуров второй группы, по размеру соответствующих от 1 до 4 пикселов снимка МСУ-СК (так же как и в случае мелких лесных контуров второй группы в табл. 5.4), вполне объяснимо, хотя некоторые контуры такого же размера отобразились как поляны на снимке МСУ-СК (анализ их характеристик будет дан ниже).

Из контуров этой группы в первую очередь исчезают вытянутые контуры дорог и просек в лесу шириной порядка 35-70 м, т. е. меньше, чем половина пиксела снимка МСУ-СК. Они образуют на снимке МСУ-СК "смешанные" пикселы, в которых яркость по сравнению с яркостью полян уменьшается и такие контуры не воспроизводятся. Однако среди исчезнувших контуров этой группы есть и имеющие компактную форму.

Напомним, что в экспериментах по геометрическому моделированию пиксельного воспроизведения малых объектов (раздел 4.2.1) было показано, что для объектов размером 1-3 пиксела возможность их воспроизведения определяется положением относительно линий и узлов сетки пикселов, и только начиная с размера 4 пиксела обеспечивается воспроизведение компактных объектов. Отмеченное в нашем случае частичное исчезновение на снимке МСУ-СК объектов размером до 4 пикселов, таким образом, вполне закономерно и согласуется с результатами геометрического моделирования.

На снимке МСУ-СК воспроизвелось большое количество обособленных безлесных участков среди лесов как незначительного, так и крупного размера. Среди них 22 поляны площадью от 1 до 4 пикселов снимка МСУ-СК. Приведем сравнение площадей и протяженности границ каждого из этих контуров с идентичными контурами, отобразившимися на снимке МСУ-Э (табл. 5.7).

Из табл. 5.7 видно, что контуры полян размером 1 пиксел на снимке МСУ-СК отобразились на месте контуров снимка МСУ-Э, превышающих по площади воспроизведенные как правило в 2-3 раза. Лишь один контур воспроизвелся на месте контура субпиксельного размера. В среднем коэффициент уменьшения площади таких контуров составляет 2,3. Поляны размером 2 пиксела снимка МСУ-СК воспроизвелись на месте контуров, соответствовавших по площади от 2,9 до 5,7 пикселов; уменьшение площади таких контуров в среднем составило 1,8 раза. Для полян размером 3 пиксела этот коэффициент уменьшается почти до 1, а часть полян размером 4 пиксела снимка МСУ-СК имели на снимке МСУ-Э даже несколько меньшие размеры.

Таким образом, небольшие поляны, отобразившиеся на снимке МСУ-СК, преуменьшены в размерах по сравнению с теми же полянами на снимке МСУ-Э, но с увеличением размера контуров различия в площадях на обоих изображениях уменьшаются. Эти особенности пиксельного отображения как мелких контуров лесов, так и полян, хорошо выражены на графиках, приведенных на рис. 5.19. Все точки первого графика находятся выше линии, соответствующей сохранению площадей контуров при переходе от снимка МСУ-Э к снимку МСУ-СК.

Таблица 5.5

Характеристика мелких контуров лесов, отобразившихся на снимке МСУ-Э и на снимке МСУ-СК




группы

Площадь на снимке МСУ-Э, м2

Площадь на снимке МСУ-Э

Площадь на снимке МСУ-СК, м2

Площадь на снимке МСУ-СК, pixМСУ-СК

Протяженность границы контура на снимке МСУ-Э, м

Протяженность границы контура на снимке МСУ-СК, м

pixМСУ-Э

pixМСУ-СК

1

22 050

18

1,0

23 104

1

840

608

2

26 950

22

1,1

23 104

1

1 050

608

3

40 425

33

1,6

23 104

1

1 680

608

4

86 975

71

3,8

23 104

1

1 960

608

5

52 675

43

2,2

46 208

2

1 400

912

6

111 475

91

4,5

69 312

3

1 750

1 216

7

71 050

58

3,0

92 416

4

1 190

1 520

всего

411 600

356

17,2

300 352

13

9 870

6 080

Таблица 5.6

Характеристика мелких контуров полян снимка МСУ-Э, неотобразившихся на снимке МСУ-СК




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-Э, м2

Площадь контуров, pixМСУ-Э

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Суммарная площадь контуров на снимке МСУ-Э, м2

Протяженность границ, м

1

89

1 225-

24 500

1-20

0,1-1,1

605 150

31 640

2

22

25 725-

86 975

21-70

1,2-3,8

928 550

25 480

3

2

138 425-

142 100

113

116

6,0

6,2

280 525

4 620

всего

113

1 225-

142 100

1-116

0,1-6,2

1 814 225

61 740



На втором графике точки, соответствующие 1-2 пикселам снимка МСУ-СК, находятся выше этой линии; точки, соответствующие 3 пикселам, находятся по обе стороны этой линии, а соответствующие 4 пикселам – ниже нее. Такое "выравнивание" площадей с увеличением размера контуров хорошо согласуется с особенностями, выявленными при геометрическом моделировании пиксельной генерализации. Оно сопровождается обобщением изображения извилистых контуров и спрямлением взаимопроникающих языков лесов и безлесных участков.

Табл. 5.8. показывает, что при переходе к снимку МСУ-СК изменяется соотношение числа контуров лесов и полян.

Если на снимке МСУ-СК воспроизводится около 20% контуров лесов от их числа на снимке МСУ-Э, то количество изобразившихся на снимке МСУ-СК полян составляет почти 40% от числа полян на снимке МСУ-Э. Соответственно, число контуров лесов на снимке МСУ-Э составляет 44%, а на снимке МСУ-СК – 28%. Тот факт, что мелких полян на снимке МСУ-СК отобразилось значительно больше, чем лесов, объясняется тем, что мелкие контура лесов имеют очень сложную форму и извилистые границы (это в основном вытянутые лесные участки вдоль рек, дорог, близ населенных пунктов), а мелкие контуры безлесных участков (в большинстве случаев – это вырубки или сельскохозяйственные поля) имеют четкую прямоугольную форму и ориентированы на север, т. е. по линиям сетки пикселов.

Леса



Поляны


Рис. 5.19. Соотношение размеров мелких контуров снимков МСУ-Э и МСУ-СК, отобразившихся на обоих снимках
Естественно, что такие объекты отображаются на снимке МСУ-СК с большей вероятностью.

Границы контуров лесов и безлесных участков. Практически на всем исследуемом участке выделяются пограничные полосы между крупными лесными массивами и безлесными пространствами шириной около 100 м, в которых изображения снимков МСУ-Э и МСУ-СК расходятся, и которые особенно хорошо видны на растровом совмещенном изображении (см. рис. 5.17). В большинстве случаев они отнесены к лесам на снимке МСУ-СК и к полянам на снимке МСУ-Э. Это говорит о том, что на снимке МСУ-СК смешанные пограничные пикселы принимают яркость лесных массивов, в то время как снимок МСУ-Э более детально воспроизводит границу лесов.
Таблица 5.7

Характеристика мелких контуров полян, отобразившихся на снимке МСУ-Э и на снимке МСУ-СК




контура

Площадь на снимке МСУ-Э, м2

Площадь на снимке МСУ-Э

Площадь на снимке МСУ-СК, м2

Площадь на снимке МСУ-СК, pixМСУ-СК

Протяженность границы контура на снимке МСУ-Э, м

Протяженность границы контура на снимке МСУ-СК, м

pixМСУ-Э

pixМСУ-СК

1

20 825

17

0,9

23 104

1

700

608

2

31 850

26

1,4

23 104

1

840

608

3

50 225

41

2,2

23 104

1

1 120

608

4

51 450

42

2,2

23 104

1

1 540

608

5

50 225

41

2,2

23 104

1

1 190

608

6

58 800

48

2,5

23 104

1

1 330

608

7

63 700

52

2,7

23 104

1

1 260

608

8

72 275

59

3,0

23 104

1

1 610

608

9

77 175

63

3,2

23 104

1

1 610

608

10

67 375

55

2,9

46 208

2

2 380

912

11

67 375

55

2,9

46 208

2

1 750

912

12

78 400

64

3,4

46 208

2

1 610

912

13

79 625

65

3,4

46 208

2

1 540

912

14

132 300

108

5,7

46 208

2

2 240

912

15

22 050

18

1,0

69 312

3

1 050

1 216

16

45 325

37

1,9

69 312

3

1 330

1 216

17

62 475

51

2,7

69 312

3

1 400

1 216

18

89 425

73

3,8

69 312

3

1 680

1 216

19

145 775

119

6,3

69 312

3

1 820

1 216

20

58 800

48

2,5

92 416

4

1 120

1 216

21

89 425

73

3,8

92 416

4

1 470

1 216

22

110 250

90

4,7

92 416

4

2 800

1 520

Всего

1 525 125

1 245

65,5

1 062 784

46

33 390

20 064



Об изменении извилистости границ лесов свидетельствует уменьшение их протяженности на снимке МСУ-СК, а по уменьшению количества контуров можно судить об общем упрощении рисунка, т. е. менее полном отображении раздробленности лесных массивов.

По таблицам атрибутов векторных изображений МСУ-Э и МСУ-СК мы получили общие сведения о протяженности всех границ, а также о количестве контуров лесов и безлесных участков. При подсчете протяженности границ из общей длины границ на снимке МСУ-Э исключена протяженность границ мелких лесов и полян, не изобразившихся на снимке МСУ-СК (см. табл. 5.8).

Табл. 5.8 демонстрирует уменьшение протяженности границ на снимке МСУ-СК относительно МСУ-Э на 21,2 %, что свидетельствует об уменьшении извилистости границ.

В случае сильно извилистых границ лесных массивов наблюдается эффект сглаживания, выравнивания границы, когда узкие языки леса, выступающие в сторону поляны, и узкие безлесные участки, вклинивающиеся в лес, исчезают на снимке МСУ-СК, образуя либо "зубчатый", либо спрямленный рисунок (рис. 5.20).
Таблица 5.8

Количество контуров и протяженность границ на снимках МСУ-Э и МСУ-СК


Классы объектов

Количество контуров на снимке МСУ-Э

Количество контуров на снимке МСУ-СК

Соотношение количества контуров на снимках МСУ-СК и МСУ-Э*,%

Протяженность границ на снимке МСУ-Э, м

Протяженность границ на снимке МСУ-СК, м

Соотношение протяженности границ на снимках МСУ-СК и МСУ-Э*, %

Леса

168

33

19,6

448 280

353 115

78,8

Поляны

219

84

38,4

Все изображения

387

117

30,2

* для вычисления процентного соотношения количества контуров и протяженности границ на снимке МСУ-СК относительно снимка МСУ-Э показатели на снимке МСУ-Э принимаются за 100%



Значительное уменьшение количества контуров на снимке МСУ-СК относительно МСУ-Э, их сокращение на 270 контуров, или на 70%, вместе с уменьшением извилистости границ, говорит об упрощении рисунка изображения. Однако это упрощение зрительно не воспринимается как существенная перестройка изображения, поскольку большая часть контуров (186 или 69%) очень мелкие, меньше 1 пиксела снимка МСУ-СК.

Смещение контуров. При анализе совмещенных изображений МСУ-Э и МСУ-СК обращает на себя внимание небольшое смещение части контуров в центральной зоне исследуемого участка. Такое однонаправленное смещение обычно свидетельствует о недостаточной точности трансформирования одного из снимков, что может быть связано с малым количеством опорных точек, выбираемых для привязки снимка к карте, либо с тем, что недостаточно точно были идентифицированы общие точки (точки привязки) на снимке и карте. При первоначальной обработке снимков эти различия были более значительны, но в результате повторной геометрической коррекции с набором сгущенной сети точек их удалось уменьшить, но не ликвидировать.

На рис. 5.17 представлено уже откорректированное изображение.


Рис. 5.20. Примеры спрямления (а) и "зубчатого" изображения (b) извилистых границ контуров лесов при переходе от снимков МСУ-Э к снимкам МСУ-СК
Тот факт, что имеются локальные расхождения контуров (преимущественно в направлении по строке сканирования), которые не удается ликвидировать геометрическим трансформированием, может быть вызван особенностями работы сканирующей аппаратуры и требует внимания со стороны ее разработчиков. Анализ особенностей сканерной съемки и возможностей появления присущих сканерным снимкам искажений (Новаковский, 1997), не дал удовлетворительного объяснения отмеченному явлению.

Главная черта проявления генерализации изображения, отмеченная при переходе от пиксела 35 м Ч 35 м (МСУ-Э) к пикселу 152 м Ч 152 м (МСУ-СК) – полное исчезновение контуров площадью около 1 пиксела МСУ-СК и частичное исчезновение контуров площадью до 4 пикселов МСУ-СК, что находится в соответствии с данными экспериментов по геометрическому моделированию пиксельной генерализации, выявивших гарантированное воспроизведение компактных объектов начиная с размера 4 пиксела.

Исчезновение контуров проявляется в большей мере для мелких лесных участков и в меньшей степени для мелких контуров полян, что связано с прямолинейной формой и ориентировкой последних по линиям сетки пикселов.

Для сохраняющихся на снимках МСУ-СК контуров лесов размером 1-2 пиксела характерно преуменьшение их площади по сравнению с идентичными контурами снимка МСУ-Э примерно в 2 раза, при увеличении размера контуров эти различия нивелируются. Эта особенность также соответствует выявленному при геометрическом моделировании преуменьшению площади малых компактных объектов за счет пограничной каймы смешанных пикселов, снижающемуся при увеличении площади объектов.

Другая черта генерализации изображения – изменение характера рисунка границ лесов, их спрямление на участках взаимного вторжения узких языков лесов и полян, уменьшение протяженности границ на снимке МСУ-СК (более чем на 20% относительно МСУ-Э), свидетельствующее об уменьшении извилистости границ, несмотря на их резко ступенчатый характер. Значительное уменьшение количества контуров (на 70%) свидетельствует об упрощении общего рисунка изображения.
5.4.3. Особенности пиксельной генерализации по результатам совмещения снимков среднего и низкого разрешения (152 м и 1014 м)
РЕЗУЛЬТАТЫ совмещения снимков МСУ-СК и АУНК.К на весь исследуемый район в масштабе 1:500 000 представлены на рис. 5.21.

Сравнение площадей лесов и безлесных пространств, изобразившихся на исходных снимках МСУ-СК и АУНКК (табл. 5.9) показывает практически полное совпадение суммарных площадей обоих объектов на этих снимках – их площади расходятся всего на 0,1%. Таким образом, можно констатировать, что для районов сложного чередования лесных и безлесных участков снимки с километровым размером пикселов хорошо передают общие площади лесов, степень лесистости.

Таблица 5.9

Суммарные площади лесов и полян на снимках МСУ-СК и AVHRR (весь исследуемый район)

Классы

объектов

Площадь,

pix

Площадь,

км2

Доля от площади участка, %

МСУ – СК

Леса

87 645

2 025,0

55,3

Поляны

70 750

1 634,6

44,7

Общая площадь

158 395

3 659,6

100,0

AVHRR

Леса

1 973

2 028,6

55,4

Поляны

1 587

1 631,7

44,6

Общая площадь

3 560

3 660,3

100,0


Однако при совмещении двух изображений выявляется, что при суммарной сходимости площадей на значительной части территории наблюдаются расхождения в положении контуров лесов и полян на обоих снимках (см. рис. 5.21, табл. 5.10). Такие расхождения зафиксированы на 22% территории, причем они имеют разнонаправленный характер: примерно в равной степени на снимке AVHRR – изобразились леса на месте полян, зарегистрированных снимком МСУ-СК, и, напротив, безлесные территории на месте лесов.


Рис. 5.21. Результаты совмещения растровых бинаризованных изображений МСУ-СК и АУНКК в масштабе 1:500 000: 1 лес на обоих снимках; 2 поляны на обоих снимках; 3 лес на снимках МСУ-СК, поляны на снимках AVHRR; 4 поляны на снимках МСУ-СК, лес на снимках AVHRR
На 10,4% территории на снимке AVHRR на месте лесов изобразились поляны, т. е. наблюдается исчезновение лесов. Это замкнутые контуры небольших изолированных лесов размером 1-3 км в поперечнике, а также выступы контуров больших лесных массивов, имеющие несколько большие размеры.

На 11,9% территории на снимке AVHRR изобразились леса на месте безлесных участков, зафиксированных на снимке МСУ-СК. Это преимущественно изолированные участки с населенными пунктами и окружающими их сельскохозяйственными землями, размером 3–4 км в поперечнике, а также вторгающиеся в лесные массивы языки незалесенных участков, имеющие несколько большие размеры (до 7 пикселов). Другая часть исчезнувших безлесных контуров относится к небольшим участкам правильной формы размером 0,5-1 км в поперечнике, которых довольно много в этом районе.

Таблица 5.10

Соотношение площадей лесов и полян на снимках МСУ-СК и AVHRR (весь исследуемый район)

МСУ–СК

AVHRR

Площадь, pixМСУ – CK

Площадь,

км2

Доля от площади участка, %

Лес

Лес

71 242

1 646,0

44,98

Поляны

Поляны

51 696

1 194,4

32,64

Лес

Поляны

16 546

382,3

10,44

Поляны

Лес

18 911

436,9

11,94

Общая площадь

158 395

3 659,6

100,00

Чтобы получить более подробные количественные характеристики по каждому классу объектов, перейдем к анализу векторных изображений снимков. Векторное изображение снимка МСУ-СК, наложенное на растровое изображение снимка AVHRR, показано на рис. 5.22.

Мелкие контуры лесов. При переходе от снимка МСУ-СК к снимку AVHRR происходит потеря большого числа мелких контуров. Число полностью исчезнувших на снимке AVHRR контуров лесов составляет 254, сведения об их площади даны в табл. 5.11.

Исчезновение контуров лесов первой группы, составляющей 95% (241 контур), вполне объяснимо, учитывая, что их площадь соизмерима с площадью 1 пиксела снимка AVHRR или значительно меньше. Исчезновение 13 контуров второй группы (5%), размером менее 4 пикселов, также вполне объяснимо и согласуется с результатами геометрического моделирования, рассмотренными в разделе 4.2.1.
Таблица 5.11

Характеристика мелких контуров лесов не отобразившихся на снимке снимка МСУ-СК, AVHRR




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-СК, м2

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Площадь контуров, pixAVHRR

Суммарная площадь контуров на снимке МСУ-СК, м2

Протяженность границ, м

1

241

23 104-

993 472

1-43

0,02-1,0

31 744 896

358 416

2

13

1 085 888-

3 673 536

47-159

1,10-3,6

28 348 608

135 280

всего

254

23 104-

3 673 536

1-159

0,02-3,6

60 093 504

135 280
Ограничимся анализом таких контуров крупного размера – площадью порядка 1-7 км2 (1-7 пикселов), зрительно воспринимаемых как отдельные контуры. Их характеристики представлены в табл. 5.12.


Рис. 5.22. Результаты совмещения векторного изображения границ лесов, выделенных по снимку МСУ-СК, и растрового бинаризованного изображения AVHRR в масштабе 1:500 000
Кроме обособленных исчезнувших контуров, к категории неотобразившихся на снимке AVHRR контуров относятся также языки лесных массивов, исчезнувшие при переходе к снимку с километровым размером пиксела.
Таблица 5.12

Характеристика крупных контуров лесных массивов снимка МСУ-СК, не отобразившихся на снимке AVHRR




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-СК, м2

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Площадь контуров, pixAVHRR

Суммарная площадь группы контуров на МСУ-СК, м2

Протяженность границ, м

1

45

1 132 096- 3 973 888

49-172

1,1-3,9

98 792 704

515 280

2

7

4 112 512-

7 254 656

178-314

4,0-7,0

37 890 560

172 976

всего

52

1 132 096-

7 254 656

49-314

1,1-7,0

136 683 264

688 256



Языки лесных массивов первой группы, размером менее 4 пикселов, не изобразились на снимке с километровым размером пиксела по той причине, что такой размер не обеспечивает, как было показано при геометрическом моделировании, их полного воспроизведения. Языки второй группы, несмотря на более крупные размеры, также не изобразились, поскольку они имеют вытянутую форму, а многие контуры из этой группы представляют лесные полосы шириной порядка 400-500 м, соединяющие крупные лесные массивы, т. е. полосы шириной около 1/2 пиксела снимка, что вполне объясняет их потерю на этих снимках.

В то же время, на снимке AVHRR воспроизвелась часть небольших контуров лесов площадью 1-6 пикселов снимка AVHRR на месте обособленных участков лесов и языков лесных массивов снимка МСУ-СК. Их число (9) сопоставимо с количеством не отобразившихся контуров такого размера. Количественные характеристики отобразившихся на обоих снимках контуров представлены в табл. 5.13.

Изобразившиеся контуры лесов на снимке AVHRR – соответствуют в основном крупным обособленным лесным участкам и крупным языкам лесов компактной формы площадью от 1 до 6 км2. Они изобразились как с преувеличением площади, так и с преуменьшением.

Таблица 5.13

Характеристика мелких контуров лесов, отобразившихся на снимке МСУ-СК и на снимке AVHRR




контура

Площадь на снимке МСУ-СК, м2

Площадь на снимке МСУ-СК

Площадь на снимке AVHRR, м2

Площадь на снимке AVHRR, pixAVHRR

Протяженность границы контура на снимке МСУ-СК, м

Протяженность границы контура на снимке AVHRR, м

pixМСУ-СК

рixAVHRR

1

1 363 136

59

1,3

1 028 196

1

7 296

4 056

2

1 963 840

85

1,9

2 056 392

2

15 808

6 084

3

2 079 360

90

2,0

2 056 392

2

8 512

6 084

4

3 188 352

138

3,1

2 056 392

2

9 908

6 084

5

438 976

19

0,4

3 084 588

3

5 776

8 112

6

1 016 576

44

1,0

5 140 980

5

9 728

12 168

7

5 452 544

236

5,3

5 140 980

5

24 016

12 168

8

9 611 264

416

9,3

5 140 980

5

27 698

12 168

9

4 967 360

215

4,8

6 169 176

6

19 456

12 168

Всего

30 081 408

1 302

29,1

31 874 076

31

128 468

79 092



В отличие от первой пары снимков, где наблюдалось существенное уменьшение площади мелких контуров при переходе от снимка МСУ-Э к снимку МСУ-СК и выравнивание площадей с увеличением контуров, в данном случае такой закономерности не наблюдается (рис. 5.23).

Два контура в южной части исследуемого района, отобразившиеся на снимке AVHRR со значительным преувеличением площади, отражают изменения ситуации за время между съемками (освобождение поймы р. Оки из-под снега, когда ее яркостные характеристики на снимке AVHRR стали близки к характеристикам лесов, в то время как на снимке МСУ-СК, выполненном после позднемартовского снегопада, пойма, оказавшаяся под снегом, отобразилась светлым тоном).

Таким образом, на снимке с километровым размером пикселов полностью исчезли контуры лесов площадью менее 1 пиксела, частично – компактные контуры площадью до 4 пикселов и узкие языки лесов площадью до 7 пикселов. В то же время, воспроизвелись компактные лесные массивы площадью от 1 до 6 пикселов на месте как несколько более крупных, так и более мелких лесных массивов снимка МСУ-СК.

Мелкие контуры безлесных участков. Очень велико число исчезнувших на снимке AVHRR безлесных участков - полностью исчезли 564 обособленных контура полян площадью до 3 км2 (табл. 5.14). Из них 96% – это поляны, по площади соответствующие менее 1 пиксела, а 4% – до 3 пикселов снимка AVHRR.

Таблица 5.14

Характеристика мелких контуров полян снимка МСУ-СК, не отобразившихся на снимке AVHRR




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-СК, м2

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Площадь контуров, pixAVHRR

Суммарная площадь группы контуров на МСУ-СК, м2

Протяженность границ, м

1

544

23 104-

924 160

1-40

0,02-0,9

63 651 520

785 232

2

20

1 016 576-

2 888 000

45-125

1,00-2,8

38 167 808

171 152

всего

564

23 104-

2 888 000

1-125

0,02-2,8

101 819 328

956 384



Исчезновение контуров обеих групп вполне объяснимо и согласуется с закономерностями, выявленными при геометрическом моделировании: контуры площадью до 1 пиксела почти всегда исчезают, а контуры площадью до 4-х пикселов (в данном случае до 3-х пикселов) отображаются на снимке только в случае благоприятного положения относительно сетки пикселов.

Кроме обособленных исчезнувших контуров полян на снимке AVHRR не отобразились также некоторые безлесные языки, вторгающиеся в лесные массивы, имеющие различные размеры. Все такие безлесные участки рассматривать нецелесообразно, ограничимся языками более крупного размера – площадью порядка 1-7 км2, зрительно воспринимаемыми как отдельные контуры. Их характеристики представлены в табл. 5.15.

Таблица 5.15

Характеристика крупных контуров безлесных участков снимка МСУ-СК, не отобразившихся на снимке AVHRR




группы

Количество исчезнувших контуров

Площадь контуров на снимке МСУ-СК, м2

Площадь контуров, pixМСУ-СК

Площадь контуров, pixAVHRR

Суммарная площадь группы контуров на МСУ-СК, м2

Протяженность границ, м

1

21

1 178 304-

3 511 808

51-152

1,1-3,4

42 465 152

207 632

2

1

6 861 888

297

6,7

6 861 888

29 184

всего

22

1 132 096-

7 254 656

51-297

1,1-6,7

49 327 040

236 816



Количество исчезнувших языков полян значительно меньше, чем аналогичных по площади лесных языков более чем в 2 раза, поскольку их форма в основном компактная, в отличие от лесных языков удлиненной формы.


Рис. 5.23. Соотношение размеров мелких контуров, отобразившихся на снимках МСУ-СК и AVHRR
Таблица 5.16

Характеристика мелких контуров полян, отобразившихся на снимках МСУ-СК и AVHRR




контура

Площадь на снимке МСУ-СК, м2

Площадь на снимке МСУ-СК

Площадь на снимке AVHRR, м2

Площадь на снимке AVHRRpixAVHRR

Протяженность границы контура на снимке МСУ-СК, м

Протяженность границы контура на снимке AVHRR, м

pixМСУ-СК

pixAVHRR

1

1 386 240

60

1,3

1 028 196

1

5 776

4 056

2

2 911 104

126

2,8

1 028 196

1

12 768

4 056

3

4 435 968

192

4,3

1 028 196

1

22 800

4 056

4

947 264

41

0,9

2 056 392

2

5 472

6 084

5

1 386 240

60

1,3

2 056 392

2

6 668

6 084

6

2 888 000

125

2,8

2 056 392

2

11 248

6 084

7

3 188 352

138

3,1

2 056 392

2

9 424

6 084

8

3 534 912

153

3,4

2 056 392

2

13 376

6 084

9

5 152 192

223

5,0

2 056 392

2

15 504

6 084

10

2 402 816

104

2,3

3 084 588

3

12 160

8 112

11

2 541 440

110

2,5

3 084 588

3

10 032

8 112

12

4 066 304

176

4,0

3 084 588

3

14 288

8 112

13

4 528 384

196

4,4

4 112 784

4

17 024

8 112

14

8 086 400

350

7,9

4 112 784

4

26 752

12 168

15

9 334 016

404

9,1

4 112 784

4

28 576

12 168

16

4 921 152

213

4,8

5 140 980

5

20 672

12 168

17

5 429 440

235

5,3

6 169 176

6

13 376

10 140

18

6 769 472

293

6,6

7 197 372

7

23 408

14 196

19

7 116 032

308

6,9

7 197 372

7

23 408

14 196

20

7 462 592

323

7,3

7 197 372

7

22 800

12 324

Всего

88 488 320

3 830

86,0

69 917 328

68

315 552

168 324



В то же время, на снимке AVHRR воспроизвелись небольшие контуры полян площадью 1-7 пикселов, отобразившихся на снимке МСУ-СК. Количественные характеристики таких контуров на обоих снимках представлены в табл. 5.16. Для этих полян характерно преуменьшение площади при переходе к снимку AVHRR, что хорошо видно на рис. 5.23.

Таким образом, на снимке с километровым размером пикселов полностью исчезли контуры полян площадью менее 1 пиксела и частично – до 3 пикселов и узкие языки полян площадью до 7 пикселов. В то же время, воспроизвелись безлесные участки площадью от 1 до 7 пикселов на месте несколько более крупных безлесных участков снимка МСУ-СК.

Рис. 5.23. Соотношение размеров мелких контуров, отобразившихся на снимках МСУ-СК и AVHRR

Границы контуров лесов и безлесных участков. Для рассматриваемых снимков, как и для любых пиксельных изображений, характерен прямоугольно-ступенчатый рисунок границ; изменение размера ступеней, казалось бы, не должно сказаться на протяженности границ. Однако отсечение мелких извилин, спрямление рисунка границ влияет на их протяженность, по уменьшению которой на снимке AVHRR можно судить об изменении извилистости границ.

По таблицам атрибутов векторных изображений МСУ-СК и AVHRR получены общие сведения о протяженности границ и количестве контуров лесов и безлесных территорий (табл. 5.17).

Табл. 5.17 свидетельствует о существенном уменьшении протяженности границ, а, следовательно, и их извилистости на снимке AVHRR. Общая протяженность границ лесов сократилась с 4 636 до 1 705 км, т. е. на 63,2%. Если учесть протяженность границ мелких исчезнувших участков лесов и полян, составляющую 1 092 км (см. табл. 5.11. и 5.14.) , то длина линий границ лесных массивов, сохранившихся на снимке AVHRR, составляет 3 546 км, т. е. уменьшается на 52%.

Табл. 5.17 показывает также значительное уменьшение количества контуров на снимке AVHRR относительно МСУ-СК. Потеря общего числа контуров лесов и полян составила 920 контуров, т. е. 93,5 %. Это свидетельствует о существенном упрощении рисунка изображения, менее полном отображении раздробленности лесных массивов.

Таблица 5.17

Количество контуров и протяженность границ на снимках МСУ-СК и AVHRR


Классы объектов

Количество контуров на снимке МСУ-СК

Количество контуров на снимке AVHRR

Соотношение количества контуров на снимках AVHRR и МСУ-CК*,%

Протяженность границ на снимке МСУ-СК, м

Протяженность границ на снимке AVHRR, м

Соотношение протяженности границ на снимках AVHRR и МСУ-СК*, %

Леса

312

20

6,4

3 544 792

1 704 948

48

Поляны

672

44

6,5

Все изображения

984

64

6,5

* для вычисления процентного соотношения количества контуров и протяженности границ на снимке AVHRR относительно снимка МСУ-СК показатели на снимке МСУ-СК принимаются за 100%



Из табл. 5.17 следует, что соотношение числа контуров лесов и полян при переходе к снимку AVHRR практически не изменяется. На снимке МСУ-СК леса составляют 31,9% контуров, на снимке AVHRR – 31,3%. Таким образом, несмотря на сильное сокращение количества контуров, соотношение контуров лесов и полян при переходе к снимку АУНКК. сохраняется, в отличие от рассмотренного выше перехода от снимка МСУ-Э к МСУ-СК, когда полян сохранялось больше, чем лесов того же размера, за счет прямоугольной формы контуров полей и вырубок.

В отличие от результатов сопоставления снимков МСУ-Э и МСУ-СК, совмещение снимков МСУ-СК и АУНКК иллюстрирует существенную перестройку изображения. Это связано с двумя обстоятельствами:

• значительным изменением уровня генерализации, переходом к размеру пикселов более 1 км;

• особенностями размерности исследуемых объектов – лесных массивов, а именно: большой ролью в них, с одной стороны, элементов с размерами 1-3 км, не воспроизводимых при размере пикселов 1 км, и с другой – крупных элементов с размерами 5-10 км в поперечнике, сохраняющихся при этом размере пикселов.

5.4. Закономерности пиксельной генерализации по результатам компьютерного совмещения изображений
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации