Základy interpretace digitálního obrazového záznamu ze systému LANDSAT

Transkript

1 Základy interpretace digitálního obrazového záznamu ze systému LANDSAT Obrazová data, získaná digitální technologií v procesu dálkového průzkumu Země, nesou (již ze své podstaty) řadu atributů, které lze uplatnit při jejich interpretaci. Pro potřeby teoretického úvodu do tohoto cvičení budeme mít na mysli snímky z digitálních leteckých fotokomor a digitální obrazové záznamy ze skenerů kosmických nosičů. Vizuální interpretaci lze podpořit důmyslným předzpracováním obrazu, které zajistí eliminaci degradací, vzniklých při procesu jeho získávání. Práci s obrazovými daty usnadňuje přímý přístup k jejich digitálním hodnotám a k základním statistickým charakteristikám. Rozmanité možnosti vizualizace digitálních obrazových dat dovolují odkrýt jejich vícerozměrnost. Významnou podporu znamenají metody vizualizace digitálních obrazových dat jako dat statistických a dále též jejich profilové charakteristiky. Důležité jsou i výstupy pokročilého zpracování obrazových dat, poskytující vyhodnocovateli další podporu při interpretaci. Pro vyhodnocovatele má význam možnost snadno modifikovat obrazový výstup na zobrazovacím zařízení používaného počítačového systému. Plnohodnotné zpracování obrazových dat, získaných digitální technologií, se provádí takřka výhradně v prostředí specializovaných programových nástrojů. Při interpretaci leteckých snímků v jednom z minulých cvičení, jsme nevyužili popisované možnosti a výhody práce s digitálními obrazovými daty. Důvodem bylo omezení používané webové aplikace GeoPortal. Prostředí tohoto nástroje slouží uživatelům, kteří si chtějí obrazová data z DPZ prohlížet, a neposkytuje funkce pro náročnější metody využívání. Možnosti přístupu k leteckým snímkům z tradiční fotokomory či digitální kamery jsou tedy v aplikaci GeoPortal totožné. V tomto cvičení se budeme věnovat procvičování vizuální interpretace obrazových dat, zaznamenaných z vesmíru skenerem systému Landsat 7 ETM+. Interpretační znaky, které jsme používali při interpretaci leteckých snímků, nebudou nyní tím nejdůležitějším. Soustředíme se na možnosti, které pro interpretaci přinášejí digitální obrazová data. Program Bilko, který budeme při práci s digitálním rastrovým obrazem používat, poskytuje řadu funkcí pro manipulaci s daty včetně možností přístupu k číselným hodnotám pixelů, zobrazení statistických a profilových charakteristik multispektrálního obrazu a k histogramům jednotlivých pásem. Nyní již dokážeme také používat některé základní techniky zvýraznění obrazových dat, které budeme při interpretaci nutně potřebovat. Teoretické základy vizuální interpretace jsou náplní jedné z absolvovaných přednášek. Interpretaci si ukážeme na datech, která jsme již používali při procvičování zvýrazňovacích technik. Tato data byla doplněna metadaty, která jsou pro případ potřeby k dispozici pro účely tohoto cvičení. Budeme pracovat s výřezem ze scény L _ pro oblast Hrubého Jeseníku s přilehlým okolím: L _ _B10_HJ.DAT (pásmo ETM+1)

2 L _ _B20_HJ.DAT (pásmo ETM+2) L _ _B30_HJ.DAT (pásmo ETM+3) L _ _B40_HJ.DAT (pásmo ETM+4) L _ _B50_HJ.DAT (pásmo ETM+5) L _ _B70_HJ.DAT (pásmo ETM+7) L _ _B80_HJ.DAT (pásmo ETM+8) Prohlédněme si nejprve panchromatické pásmo (0,45; 0,52 µm) multispektrálního obrazu jako celek. a) V nabídce programu Bilko zvolte File Open... a dialogovém okně vyhledejte adresář s obrazovými soubory a dále vyberte soubor L _ _B80_HJ.DAT (Obrázek č. 1), který obsahuje panchromatická data z výřezu Hrubý Jeseník. Ujistěte se, že nastavení filtru obrazových formátů Files of type zobrazí soubory typu IMAGES (bmp, dat, gif, pcx, bin, hdf, tif, nc, n1), a že jsou deaktivované přepínače Extract a Minimize a aktivovaný přepínač Apply. Potvrzením výběru Open se data zobrazí v nově otevřeném okně (Obrázek č. 2). Obrázek č. 1 Výběr souboru s obrazovými daty panchromatického pásma ETM+8 Nejsvětlejší části obrazu představují oblačnost. Naopak nejtmavší šedí (blíží se černé) jsou zobrazeny vodní objekty (přehrady, rybníky, širší vodní toky) a také stíny, které vznikají promítáním oblaků na zemský povrch a to SSZ směrem. Střední odstíny šedi reprezentují především zemědělské plochy (ornou půdu, louky a pastviny), tmavé odstíny šedi lesní porosty. Soustřeďme se nyní podrobněji na konkrétní krajinné prvky a na další objekty či jevy v ukázkových oblastech (Obrázek č. 2), označených písmeny A, B, C. Oblast A zobrazuje centrální

3 část Hrubého Jeseníku, oblast B okolí Vrbna pod Pradědem a oblast C vodní dílo Slezská Harta s přilehlým okolím. Obrázek č. 2 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v panchromatickém pásmu ETM+8 Nejsvětlejší odstíny představující oblačnost, vidíme zřetelně v oblastech A a B. Naopak nejtmavší odstíny (blížící se černé) reprezentují vodní objekty. V oblasti C lze zřetelně rozeznat vodní dílo Slezská Harta. V oblasti A v Hrubém Jeseníku jsou vodní objekty rovněž zastoupeny, ale v panchromatickém obrazu je bez zvýraznění nerozlišíme. Najdeme zde totiž i další pixely, zobrazené velmi tmavou šedí. Například ty, které reprezentují lesní plochy či stíny způsobené oblačností. Mohli bychom se pokusit o zpracování panchromatického obrazu některou z technik radiometrického zvýraznění, kterou jsme zkusili v minulém cvičení. Přínosnější však bude využít znalosti z přednášek a další zkoumání detailů provádět v obrazových pásmech, které jsou vhodnější. Vyzkoušejme tedy, která pásma jsou vhodná pro získání informací o vodě, vegetaci, holé půdě a případně některých dalších objektech či materiálech. b) Zobrazme soubor L _ _B10_HJ.DAT, který obsahuje data z modrého oboru spektra (Obrázek č. 3). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte.

4 Obrázek č. 3 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+1 Obraz pásma ETM+1 je méně kontrastní než panchromatický obraz, protože vlnové délky (0,45; 0,52 µm) tohoto pásma výrazně rozptylují EMG záření. Naopak rozptyl záření způsobuje dobré ozáření povrchů, které jsou ve stínu a stíny nejsou tak tmavé a kontrastní jako stíny vznikající působením delších vlnových délek. Modré světlo je pohlcováno chlorofylem vegetace a ta se proto jeví jako tmavá. Zemědělské plochy s vegetací jsou proto jednotvárné. Velmi světlé pixely reprezentují oblaka a v oblasti A vidíme dále ve vyšších vrcholových částech Hrubého Jeseníku i zbytky sněhové pokrývky. Tento zrnitý jarní sníh (firn) je však obtížné odlišit od oblačnosti, neboť pixely nesou velmi podobné hodnoty. Vodní plochy jsou světlejší než v panchromatickém pásmu a bez zvýraznění nejsou odlišitelné od lesních porostů a oblačných stínů. c) Dále zobrazte soubor L _ _B20_HJ.DAT, který obsahuje data ze zeleného oboru spektra (Obrázek č. 4). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte. Pásmo ETM+2 je poněkud kontrastnější než ETM+1, protože vlnové délky tohoto pásma (0,52; 0,60 m) méně rozptylují EMG záření. V obrazu ETM+2 vidíme opět oblačnost i sněhovou pokrývku. DN pro vodní plochy i pro lesní porosty jsou velmi blízké a proto je obtížné tyto dva typy pokryvu odlišit. Ornou půdu, louky a pastviny reprezentují pixely, jejichž DN (70; 100). d) Nyní zobrazte soubor L _ _B30_HJ.DAT (Obrázek č. 5), který obsahuje data z červeného oboru spektra (0,63; 0,69 µm). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte.

5 Obrázek č. 4 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+2 Obrázek č. 5 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+3 Mezi pásmy ETM+1, ETM+2 a ETM+3, pokrývajícími viditelný obor spektra, je ETM+3 nejkontrastnější. I tento obraz ukazuje oblačnost a sněhovou pokrývku, neboť je reprezentují pixely

6 s extrémně vysokými DN. Interpretací na základě pásma ETM+3 je však obtížné tyto pokryvy od sebe odlišit. Evidentním příznakem přítomnosti oblaků v obraze je existence oblačných stínů, které se promítají na povrch Země. Tento indikátor však nelze použít v částech obrazu, kde je větší pokrytí oblačností a některé oblačné stíny jsou zakryty. e) Další v pořadí otevřete soubor L _ _B40_HJ.DAT, který obsahuje data z blízkého infračerveného červeného oboru spektra (Obrázek č. 6). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte. Obrázek č. 6 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+4 Pásmo ETM+4 reprezentuje vlnové délky (0,75; 0,90 µm), na něž lidský zrak není citlivý. Obraz tohoto pásma však přesto může být zobrazen a to na podobném principu jako pásma ETM+1, ETM+2, ETM+3 a ETM+8. V šedotónovém obrazu výrazně vystupují vodní plochy, které vidíme ve velmi tmavém odstínu šedé barvy, blížícím se černé. To vypovídá o spektrálním chování vodních objektů, v nichž se voda vyskytuje v kapalném skupenství. Téměř veškerá energie záření, dopadajícího na vodní hladinu, je pohlcena a hodnoty odraženého záření změřené skenerem systému LANDSAT 7 ETM+ jsou tedy velmi nízké. V oblasti C najdeme vodní dílo Slezská Harta (Obrázek č. 6). Kromě toho můžeme vodní objekty pozorovat také v oblasti A, která je zobrazena v detailu na obrázku č. 7. V levé horní čtvrtině obrázku vidíme pravidelný, oválný tvar horní (akumulační) nádrže přečerpávací hydroelektrárny Dlouhé stráně na vrchu Mravenečník. Dobře vidíme také dolní nádrž stejné vodní elektrárny, která

7 byla postavena v údolí na severovýchod. Tvar je významný markant, podle něhož je horní nádrž zřetelně rozpoznatelná a odlišitelná od jiných vodních objektů ve stejné oblasti. Obrázek č. 7 Oblast A ve výřezu Hrubý Jeseník ze scény L _ pásmo ETM+4 Zůstaňme ještě u výskytu vody, kterou lze pozorovat v zobrazených datech. Jak už jsme si ověřili, kromě vody v kapalném skupenství lze v obrazu najít i vodu ve skupenství pevném. Jedná se o sněhovou pokrývku ve vyšších polohách Hrubého Jeseníku, a dále o vodu v podobě malých krystalků ledu, tvořících oblačnost. V pásmech ETM+1, ETM+2, ETM+3 a ETM+4 jsme pozorovali jak oblaka, tak sníh. V panchromatickém pásmu ETM+8 jsme však jasně rozpoznali pouze oblaka, neboť sníh pohlcuje většinu dopadajícího záření těchto vlnových délek. Ve zkoumaném obrazu je proto reprezentován velmi tmavými odstíny šedi podobně jako oblačné stíny. V souvislosti s pásmem ETM+4 je třeba ještě připomenout spektrální chování vegetace, jejíž která především ve vegetačním období silně odráží vlnové délky tohoto pásma. Druhá polovina dubna však ještě není obdobím, kdy tato vlastnost vegetace dosahuje vrcholu. Přesto však lesní porosty vykazují v pásmu ETM+4 výrazně vyšší hodnoty odrazivosti než v pásmech ETM+1, ETM+2, ETM+3 a ETM+8. f) Otevřete soubor L _ _B50_HJ.DAT, který obsahuje data z středního infračerveného červeného oboru spektra (Obrázek č. 8). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte.

8 Obrázek č. 8 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+5 Pásmo ETM+5 reprezentuje vlnové délky (1,55; 1,75 µm), které se nepodílejí na vzniku obrazu viditelného lidský zrakem. Zobrazením tohoto pásma v odstínech šedé barvy získáme řadu důležitých informací. Nejtmavší šedí (blíží se až k černé) jsou zobrazeny vodní objekty (přehrady, rybníky, širší vodní toky) a také oblačné stíny. Střední hodnoty šedi reprezentují zemědělské plochy (orná půda a pastviny), o něco tmavší šedi pak lesní porosty. Nejsvětlejší části obrazu představuje opět oblačnost avšak sněhová pokrývka na hřebeni Hrubého Jeseníku je tmavá. Diametrálně odlišné spektrální chování dvou typů objektů tvořených vodou v pevném skupenství je dáno strukrou ledu. Mraky jsou tvořené ledem, který má krystalickou strukturu, a je tedy výborným odražečem záření v tomto pásmu. Jarní sníh pozbyl krystalickou strukturu v důsledku kladných teplot, kterým byl po určitou dobu vystaven a má zrnitou strukturu a je nasycen vodou v kapalném skupenství. Led v této podobě velmi silně pohlcuje záření vlnových délek (2,1; 2,35 µm), které se podílely na vzniku obrazu pásma ETM+5. Sněhová pokrývka popisovaných vlastností se spolehlivě zviditelní v kompozici trojice pásem, mezi něž je třeba zařadit ETM+5 (Obrázek č. 9).

9 Obrázek č. 9 Kompozice pásem ETM+2, ETM+4 a ETM+5 v nepravých barvách pro oblast A g) Otevřete soubor L _ _B70_HJ.DAT, který obsahuje data ze středního infračerveného červeného oboru spektra (Obrázek č. 10). Podle potřeby data radiometricky zvýrazněte. Ani vlnové délky (2,1; 2,35 µm), které reprezentuje obraz pásma ETM+7, bezprostředně nevyvolávají zrakový vjem. Techologie použité v systému Landsat 7 ETM+ však umožňují obraz tohoto pásma získat a můžeme jej vizualizovat v odstínech šedé barvy nebo jako součást barevných kompozic. I toto pásmo přináší řadu informací, které lze z dat extrahovat. Podobně jako pásmo ETM+5 umožňuje i ETM+7 odlišit sníh od oblaků. Nejtmavší šedí (blíží se až k černé) jsou zobrazeny vodní objekty (přehrady, rybníky, širší vodní toky) a také oblačné stíny. Poskytuje dobrý kontrast mezi odlišnými typy vegetace. Střední hodnoty šedi reprezentují zemědělské plochy (orná půda a pastviny), o něco tmavší šedi pak lesní porosty. Zdroje informací:

10 Obrázek č. 10 Výřez Hrubý Jeseník ze scény L _ v pásmu ETM+7 Samostatné cvičení Proveďte zobrazení dat pro výřez Ostravsko ze scény L _ a využijte stejné zvýrazňovací operace, které jste si vyzkoušeli v průběhu tohoto samostatného cvičení. Pokuste se identifikovat velké vodní objekty. V jednotlivých pásmech se zaměřte na urbanizované území Ostravy a pokuste se vysledovat velké plochy s relativně homogenním spektrálním chováním, které mají antropogenní původ. Dále vytvořte kompozici v nepravých barvách, která vám pomůže odlišit sníh od oblak ve výřezu Hrubý Jeseník ze scény L _