Análisis de imágenes por teledetección y extracción de información
En la actualidad, existen tres métodos principales para extraer información de imágenes de teledetección: uno es la interpretación visual de imágenes de teledetección, utilizando herramientas de observación sencillas (como estereoscopios, lupas, etc.) para identificar el imágenes a simple vista, determinar las características de los atributos del objetivo; el segundo es el procesamiento óptico de imágenes de detección remota, es decir, utilizar instrumentos ópticos para mejorar la calidad de la imagen, suprimir el ruido, resaltar la imagen del objetivo y extraer información relevante; el tercero es el procesamiento digital de imágenes de teledetección, es decir, el uso de computadoras para realizar procesamiento geométrico en imágenes digitalizadas. El procesamiento especial, como la corrección y la mejora, puede lograr el propósito de extraer información de las características de los atributos del objetivo. Cada uno de los tres métodos tiene sus propias ventajas, pero la interpretación visual es la base. El procesamiento óptico y el procesamiento digital son medios técnicos indispensables para explicar y mejorar el nivel de interpretación, pero sus efectos aún requieren interpretación y juicio visual profesional. Con el rápido desarrollo de la tecnología informática, la información de teledetección se registra y almacena cada vez más digitalmente, por lo que el procesamiento de imágenes digitales se ha convertido en el principal medio de procesamiento de imágenes de teledetección. Esta sección presenta principalmente la interpretación visual de imágenes de teledetección y los métodos básicos de procesamiento de imágenes digitales de teledetección.
20.1.1 Interpretación visual de imágenes de teledetección
La característica básica del método de interpretación visual es que puede aprovechar al máximo los conocimientos básicos profesionales y la capacidad de juicio mental que domina el personal de interpretación, y reducir la probabilidad de errores de juicio, tiene la ventaja de ser simple y fácil de implementar. Siempre que existan datos de imágenes de teledetección, se pueden interpretar en cualquier situación. En la interpretación visual de imágenes de teledetección, el efecto de la interpretación depende del conocimiento, las habilidades y el nivel de experiencia del intérprete.
20.1.1.1 Banderas de interpretación geológica de imágenes de teledetección
Las banderas de interpretación geológica son características de imagen que representan cuerpos geológicos e información de teledetección de imágenes geológicas. Según sus diferentes formas de expresión, los signos de interpretación geológica se dividen en dos categorías: signos de interpretación directa y signos de interpretación indirecta. El primero es un reflejo directo de las características de los atributos de los cuerpos geológicos y los fenómenos geológicos en las imágenes de teledetección, como la forma, el tamaño, el tono, la sombra, etc. Estas últimas son características de imágenes de otros objetos o fenómenos relacionados con cuerpos geológicos o imágenes geológicas, como características de accidentes geográficos, patrones de sistemas hídricos, vegetación, suelo, hidrología, actividades humanas, etc. A través de su análisis de correlación también se pueden distinguir las características de atributos de estos cuerpos geológicos o imágenes geológicas.
Los diferentes tipos de objetos terrestres tienen diferentes características de radiación electromagnética. El reflejo en la imagen es la formación de diversa información de color y forma: el color es el tono, el color, la sombra y el contraste se refieren a la forma, el tamaño, la distribución espacial, la textura, etc. El "color" sólo puede interpretarse de manera significativa si se adjunta a la "forma". La aberración cromática también suele expresar información en "perspectiva" sobre los fenómenos subyacentes. Sólo analizando y comparando exhaustivamente esto con aquello, desde afuera hacia adentro, la interpretación puede lograr buenos resultados.
20.1.1.2 Método básico de interpretación visual de imágenes de teledetección
El método más básico de interpretación visual es la observación estereoscópica. Utiliza un simple espejo óptico estereoscópico para convertir una imagen plana bidimensional en un modelo óptico tridimensional, resaltando así las características espaciales de los objetos terrestres y facilitando al ojo humano identificar objetivos y determinar su posición espacial.
La observación estereoscópica debe cumplir dos condiciones básicas: en primer lugar, debe existir un par de imágenes estereoscópicas, y en segundo lugar, debe existir un estereoscopio. Un par de imágenes estereoscópicas se refiere a un par de fotografías (imágenes) de la misma escala y con cierta superposición obtenidas en el mismo terreno a partir de dos estaciones fotográficas de referencia adyacentes. Un estereoscopio es un instrumento especial para la observación estereoscópica. Su función principal es obligar al ojo izquierdo del observador a ver solo la película (imagen) izquierda y al ojo derecho a ver solo la película (imagen) derecha, obteniendo así un buen efecto de observación estereoscópica.
Con el desarrollo de la tecnología de teledetección, la interpretación de la teledetección no solo utiliza fotografías obtenidas mediante fotografía, sino que también utiliza imágenes de escaneo infrarrojo e imágenes de radar. Cabe señalar que aunque los elementos o características de su imagen también lo son la forma, el tamaño, la sombra, el entorno, la disposición espacial, el tono, etc. , tienen diferentes significados en imágenes tomadas en diferentes bandas de ondas.
20.1.1.3 Métodos y principios de interpretación visual
(1) Método de interpretación
Para la interpretación de diferentes imágenes de teledetección, la principal diferencia radica en la objetivo específico La interpretación de los signos es diferente; los principios y métodos de interpretación son los mismos. Hay tres métodos principales comúnmente utilizados para la interpretación visual.
(1) Método de juicio directo. Se refiere al uso de signos de interpretación directa para juzgar cuerpos geológicos o fenómenos geológicos. Este método es simple y confiable, pero solo debe usarse cuando el cuerpo geológico está directamente expuesto en la superficie, o cuando el área de cobertura es pequeña y los signos de interpretación son relativamente estables. Por ejemplo, la mayoría de las áreas del noroeste tienen esta condición y muchos cuerpos geológicos pueden determinarse mediante métodos de juicio directo.
②Método de contraste. Este es el método más común. Suele incluir varias situaciones: primero, comparar imágenes de teledetección con entidades geológicas; segundo, comparar con imágenes de áreas vecinas que ya han trabajado; tercero, comparar con datos anteriores; A través de la comparación, se establecieron señales interpretativas precisas y confiables adecuadas para el área. El método comparativo también se utiliza para la verificación en campo de los resultados de la interpretación.
③Método de razonamiento lógico. Basándonos en la correlación entre los fenómenos geológicos y otros elementos del paisaje en la superficie, utilizamos teorías de la geología, geomorfología, hidrología, ciencias del suelo, geobotánica y otras disciplinas relacionadas para realizar análisis integrales y razonamiento lógico para determinar los atributos del objeto objetivo. Aquí, los signos indirectos se utilizan principalmente para juzgar cuerpos geológicos ocultos o fenómenos geológicos. Este método se utiliza a menudo al interpretar imágenes en el sur de China.
(2) Principios de interpretación
Los principios de interpretación de imágenes de teledetección se pueden resumir de la siguiente manera.
①Principios macro. A la hora de interpretar cualquier zona, se debe estudiar el contorno general de la imagen mediante imágenes de satélite o fotografías aéreas de pequeña escala. Obtener un concepto correcto del marco macroestructural de toda el área de trabajo. Esta es la clave para saber si la siguiente explicación detallada puede lograr resultados de manera rápida y precisa, y tiene un significado orientativo importante. Bajo esta premisa se puede realizar de manera efectiva la interpretación detallada de cada parte.
(2) El principio de empezar con las cosas fáciles, luego las difíciles y avanzar paso a paso. Todo el trabajo de explicación debe realizarse paso a paso para mejorar la eficiencia del trabajo y obtener el doble de resultado con la mitad de esfuerzo. A continuación se presenta un resumen de algunas experiencias prácticas para su referencia. ? Empezar desde las zonas más familiares y avanzar hacia las desconocidas, es decir, de lo conocido a lo desconocido. ? Interprete primero las partes claras de la imagen y luego las partes borrosas. ? Primero las montañas, luego las llanuras; primero la estructura, luego la litología. ? Primero romper, luego doblar. ? Primero estructura lineal, luego estructura circular. ? Rocas premagmáticas, rocas postsedimentarias y luego rocas metamórficas. ? Explique primero lo revelado y luego lo oculto. en,? Los tres puntos de ,? y ? son flexibles y deben decidirse según el grado de visualización de la imagen. La interpretación escalonada también es común.
20.1.2 Procesamiento de imágenes digitales por teledetección
El procesamiento de imágenes por teledetección, especialmente el procesamiento de imágenes digitales, es un paso importante para mejorar y extraer información útil como geología, estructura y mineralización. del medio ambiente de mineralización. Al mismo tiempo, se utiliza ampliamente en recursos, medio ambiente, agricultura, silvicultura, ganadería y pesca, concentración parcelaria, ingeniería geológica y otros campos, con un enorme potencial. Especialmente con la mejora de la resolución espectral y espacial de la nueva generación de imágenes de teledetección, la fusión de datos de imágenes de teledetección multitemporales y de múltiples tipos y la fusión de imágenes de teledetección y otros datos serán cada vez más importantes. Las imágenes de teledetección registran una gran cantidad de información característica débil de los objetos terrestres, como información del espectro infrarrojo e información de microondas de los objetivos, que son difíciles de detectar a simple vista y con instrumentos convencionales. El procesamiento digital de imágenes de teledetección puede mejorar enormemente la capacidad de las personas para identificar objetivos. De hecho, con el desarrollo de la tecnología informática, el contenido del procesamiento de imágenes de teledetección ha superado con creces el alcance de las imágenes macro. La teledetección, la prospección geofísica, la prospección geoquímica y los datos de minerales geológicos se pueden combinar, integrar y combinar o mejorar, transformar, clasificar y reconocer patrones de manera efectiva mediante métodos de procesamiento de imágenes para extraer un conjunto de signos característicos para formar un mapa (o imagen) de información integral. para la prospección de minerales.
20.1.2.1 Imagen digital
Una imagen digital es una imagen representada por una matriz bidimensional (matriz). La matriz consta de píxeles de puntos de muestra generados al muestrear una imagen espacial que varía continuamente a intervalos iguales. El espacio entre los puntos de muestreo depende de la resolución de la imagen o sigue las leyes de muestreo pertinentes.
El tamaño de los puntos de muestreo (píxeles) suele ser el valor promedio de los objetos terrestres cuyo tono (color) cambia continuamente dentro del intervalo de muestreo, que generalmente se denomina valor de brillo o valor de gris; sus intervalos máximo y mínimo representan el rango dinámico; de la imagen digital. El significado físico de una imagen digital depende de la naturaleza del objeto muestreado. Para imágenes digitales de teledetección, corresponde a la distribución bidimensional de la intensidad de la radiación electromagnética de los objetos en el área de imagen. En imágenes digitales, los píxeles son la unidad más básica. La posición de cada píxel se puede determinar mediante sus coordenadas de fila y columna (x, y); el valor de brillo (z) normalmente oscila entre 0 (negro) y 255 (blanco). Por lo tanto, cualquier imagen digital puede representarse mediante el sistema de coordenadas tridimensional de , un sistema de coordenadas tridimensional con Z = 0 ~ 255. MT, SPOT, etc. Mismo, pero diferente número de filas y columnas.
Las imágenes digitales pueden provenir de diversas fuentes. La mayoría de los sensores remotos satelitales, como MSS, TM, SPOT, imágenes SAR, etc. , la información de teledetección de la escena terrestre se graba directamente en la cinta digital. Las estaciones terrestres de satélites de teledetección o las estaciones receptoras de satélites meteorológicos pertinentes pueden proporcionar las correspondientes cintas digitales compatibles con ordenador (CCT) o discos de datos y sus formatos de grabación. Siempre que el personal de la aplicación ingrese los datos de la imagen en el sistema de procesamiento de imágenes de la computadora de acuerdo con el formato de grabación, podrá obtener imágenes digitales y realizar diversos procesamientos de imágenes. Para fotografías o imágenes de películas, la densidad de la imagen se puede convertir en valores numéricos mediante densitómetros y escáneres de transmisión electroóptica, y luego transformarse en imágenes digitales sin sensores remotos, como mapas topográficos, mapas geológicos y mapas aeromagnéticos; , mapas de gravedad y mapas de anomalías geoquímicas esperan. También se puede convertir en una imagen digital mediante un digitalizador o un escáner. Se pueden registrar y sintetizar con precisión imágenes digitales de diferentes fuentes de la misma zona.
La imagen de la izquierda en la Figura 20-1 muestra el principio de generar valores de brillo en una línea de escaneo. En comparación con las imágenes ópticas, las coordenadas de la imagen y el sistema de referencia de píxeles en la imagen de la izquierda tienen un nivel de cuantificación más alto (256 niveles), una distorsión más pequeña, una mayor precisión de registro de diferentes imágenes, una fácil transmisión y almacenamiento y, lo que es más importante, las computadoras pueden realizar varios Procesamiento flexible, confiable y efectivo para lograr una mejor interpretación y análisis de imágenes de detección remota y otros efectos de aplicación.
20.1.2.2 Procesamiento de imágenes digitales
Las imágenes digitales organizan los datos en filas y columnas de píxeles con diferentes valores de brillo. Su característica más básica es que las coordenadas espaciales y los valores de brillo de los píxeles están discretizados, es decir, solo pueden tomar valores limitados y ciertos. Por tanto, la discreción y la finitud son las características matemáticas más básicas de las imágenes digitales. El llamado procesamiento de imágenes digitales consiste en construir varios modelos matemáticos y algoritmos correspondientes basados en las características digitales de las imágenes digitales, y luego realizar cálculos (transformación matricial) a través de computadoras para obtener imágenes de salida y datos relacionados que sean más propicios para aplicaciones prácticas. . Por lo tanto, el procesamiento de imágenes digitales a menudo también se denomina procesamiento de imágenes por computadora.
El procesamiento de imágenes digitales se puede dividir básicamente en dos tipos en términos de algoritmos: uno es el procesamiento puntual, es decir, al realizar operaciones de transformación de imágenes, solo se ingresa el valor de un píxel en el espacio de la imagen, y el valor se procesa punto por punto hasta que se procesen todos los puntos, como mejora del contraste, mejora de la relación, etc. El otro es el procesamiento de vecindad, es decir, para producir la salida de un nuevo píxel, se deben ingresar los valores de varios píxeles adyacentes al píxel. Este tipo de algoritmo se utiliza generalmente para el procesamiento de características espaciales, como varios procesos de filtrado. El procesamiento de puntos y el procesamiento de vecindad tienen diferentes superficies de adaptabilidad, y se deben seleccionar diferentes objetos de procesamiento y objetivos de procesamiento durante el diseño y la estimación.
Figura 20-1 Principio de la síntesis de imágenes digitales SMS de satélites terrestres
El procesamiento de imágenes digitales por teledetección generalmente requiere una gran cantidad de datos, lo que a menudo requiere procesar un conjunto de imágenes digitales (múltiples -banda, imágenes multitemporales), etc.) para procesamiento múltiple. ) Al mismo tiempo, por lo tanto, es necesario construir diferentes modelos matemáticos y diseñar diferentes algoritmos basados en las características espectrales, espaciales y temporales de las imágenes de teledetección, así como en diferentes objetos y requisitos. No solo tiene métodos de tratamiento ricos, sino que también formó sus propias características y se convirtió en un método técnico especial.
Según los diferentes propósitos y funciones del procesamiento, el procesamiento actual de imágenes digitales por teledetección incluye principalmente los siguientes cuatro aspectos.
(1) Procesamiento de recuperación de imágenes.
Está diseñado para corregir o compensar la distorsión de la radiación, la distorsión geométrica, diversos ruidos y la pérdida de información de alta frecuencia durante el proceso de obtención de imágenes. Pertenece a la categoría de preprocesamiento, que generalmente incluye corrección de radiación, corrección geométrica, amplificación digital, empalme digital, etc.
(2) Procesamiento de mejora de imágenes. A través de algunas transformaciones matemáticas, los datos recuperados pueden ampliar las diferencias en escala de grises entre imágenes, resaltando así la información del objetivo o mejorando los efectos visuales de la imagen y mejorando la interpretabilidad. Incluye principalmente mejora del contraste, mejora del color, filtrado espacial, mejora de la transformación de imágenes y otros métodos.
(3) Procesamiento de composición de imágenes. Las imágenes digitales de diferentes fuentes en la misma área se registran espacialmente y se superponen de acuerdo con coordenadas geográficas unificadas, y se comparan o analizan exhaustivamente diferentes fuentes de información. Se la conoce comúnmente como síntesis de información de múltiples fuentes (elementos), incluida la síntesis de información de teledetección y teledetección, así como la síntesis de información de geociencias de teledetección y no teledetección.
(4) Procesamiento de clasificación de imágenes. Para los datos de teledetección múltiple, basándose en las características de los píxeles en el espacio espectral multidimensional (vector de valor de brillo) y ciertos criterios estadísticos de toma de decisiones, la computadora divide e identifica diferentes tipos de agrupaciones espectrales, logrando así la identificación y clasificación automática de cuerpos geológicos. Existen métodos de clasificación supervisados y no supervisados.
Cabe señalar que después de casi 10 años de rápido desarrollo, la teoría y los métodos del procesamiento de imágenes digitales se han mejorado y desarrollado gradualmente, convirtiéndose en un tema con un rico contenido de investigación: el procesamiento de imágenes digitales. Debido a limitaciones de espacio, aquí sólo se enumera el proceso general de procesamiento de imágenes digitales de teledetección (Figura 20-2).
20.1.2.3 Sistema de procesamiento de imágenes digitales
El procesamiento de imágenes digitales por teledetección no solo tiene una gran cantidad de datos, sino que también tiene una transmisión de datos frecuente y es altamente profesional. Por lo tanto, generalmente se lleva a cabo en equipos de procesamiento especializados. Una computadora especial utilizada para el procesamiento de imágenes digitales y su equipo periférico y software relacionado constituyen un sistema de procesamiento de imágenes digitales, que generalmente consta de dos partes: un sistema de hardware y un sistema de software. Entre ellos, los sistemas de hardware se pueden dividir en dos categorías según las actuales tendencias de desarrollo nacionales y extranjeros: sistemas informáticos de propósito especial a gran escala y sistemas de procesamiento de imágenes por microcomputadoras. En términos generales, todos incluyen los siguientes componentes básicos.
Figura 20-2 Proceso básico de procesamiento digital de imágenes de teledetección
(1) Host. El centro de control realiza diversas operaciones, preprocesamiento, análisis estadístico y coordina las operaciones de varios dispositivos periféricos y es el dispositivo más básico. Generalmente es una computadora dedicada con alta velocidad y gran memoria.
(2)Unidades de cinta y grabadoras de CD. Un dispositivo de transmisión de datos que conecta una cinta digital (CCT) o un CD de datos de imágenes y una computadora principal puede ingresar datos de imágenes sin procesar y también puede transferir los resultados del procesamiento intermedio y final a la cinta o al CD. En la actualidad, la mayoría de los sistemas de procesamiento de imágenes por microcomputadoras están equipados con grabadoras de CD, que son muy convenientes para ingresar y emitir datos de imágenes.
(3)Procesador de imágenes. Es un dispositivo central dedicado para el procesamiento de imágenes digitales. No solo es responsable de la realización de diversas funciones de procesamiento de imágenes, como restauración de imágenes, corrección geométrica, mejora, clasificación, etc., sino que también sirve como enlace entre el host y varios. dispositivos de entrada y salida.
(4)Dispositivo de salida. Se utiliza para mostrar, analizar, registrar y trazar resultados de procesamiento, incluidos monitores en color o monitores en color, varios tipos de impresoras, trazadores, grabadores de películas y escáneres, etc.
Para un sistema completamente funcional, además de lo anterior, normalmente también incluye dispositivos de entrada como digitalizadores de captura o escaneo de imágenes de películas y digitalizadores de gráficos.
El sistema de software se refiere a varios programas que coinciden con el sistema de hardware y se utilizan para el procesamiento de imágenes y la implementación de operaciones. Generalmente incluye software del sistema y software de aplicación. El primero incluye un sistema operativo y un sistema de compilación, que se utilizan principalmente para ingresar instrucciones y parámetros y "hablar" con la computadora; el segundo es un software de aplicación compilado en un determinado lenguaje y almacenado en la biblioteca de aplicaciones del sistema de hardware; Los usuarios pueden utilizar el modo de diálogo o el modo de menú según la tarea de investigación, emitir las instrucciones correspondientes para utilizar estos programas y el anfitrión realizará cálculos y procesos para obtener los resultados requeridos. Diferentes especialidades a menudo diseñan sus propios sistemas de software de aplicación, por lo que se han desarrollado internacionalmente una variedad de sistemas de software de procesamiento de imágenes y gráficos, y se ha desarrollado una serie de software de procesamiento de imágenes y gráficos basado en Windows para microcomputadoras, como Photoshop, etc. que son potentes y fáciles de operar.
20.1.3 Procesamiento óptico de imágenes de sensores remotos
El procesamiento de imágenes ópticas se refiere al procesamiento de imágenes de sensores remotos grabadas en películas o películas de imágenes convertidas a partir de productos digitales. Objeto, una tecnología de procesamiento de imágenes. que transforma y mejora imágenes de teledetección mediante el procesamiento y transformación de instrumentos ópticos o electroópticos.
Existen muchos instrumentos y medios técnicos utilizados para el procesamiento óptico, incluido el procesamiento fotográfico, el procesamiento fotoeléctrico y el procesamiento de luz coherente. En términos de métodos de procesamiento, existen segmentación de densidad, síntesis de color, mejora de bordes, mejora de contraste, relación de imagen óptica, transformación óptica, codificación óptica, etc. Entre ellos, se utilizan comúnmente la segmentación de densidad igual de colores falsos y la síntesis de colores falsos.
Vale la pena señalar que con el rápido desarrollo de la tecnología de software y hardware, los costosos sistemas ópticos de procesamiento de imágenes han sido reemplazados básicamente por sistemas de procesamiento de imágenes por computadora. Así que no lo presentaré aquí.