Ugrás a tartalomhoz

Műholdakról távérzékelt adatok feldolgozása és hasznosítása

Mika János, Utasi Zoltán, Biró Csaba, Pénzesné Kónya Erika (2011)

EKF TTK

3. Az 1B szintű adatok alapján tematikus térkép szerkesztése

3. Az 1B szintű adatok alapján tematikus térkép szerkesztése

Az alfejezet a következőkben 1B szintű műholdfelvétel további feldolgozásának lépéseit, lehetőségeit tekinti át, melynek célja a 2. szint elérése, vagyis tematikus eredménytérkép elkészítése. A könnyebb áttekinthetőség miatt a Landsat TM (Thematic Mapper) multispektrális felvételeiből egy konkrét mintaterületen (Howe Hill, Új-Zéland) és térinformatikai szoftverrel (IDRISI) történik a folyamatok bemutatása. (A Landsat TM szenzorainak érzékelési tartományai: TM-1. 0,45-0,52 µm; TM-2. 0,52-0,60 µm; TM-3. 0,63-0,69 µm; TM-4. 0,76-0,90 µm; TM-5. 1,55-1,75 µm; TM-6. 10,4-12,5 µm; TM-7. 2,08-2,35 µm)

3.1 A felvétel dokumentációja

A munka megkezdésekor célszerű áttekinteni az űrfelvétel dokumentációját (7.1 ábra), mely lényegesen több és sokrétűbb információt tartalmaz, mint például egy egyszerű digitális fényképfelvétel. Szükséges lehet ebben a megfelelő átalakításokat végrehajtani, melynek célja és oka abban keresendő, hogyha több űrfelvétellel rendelkezünk, az ezekkel végzet közös munka (pl. kompozitkészítés) végrehajtása csak abban az esetben lesz lehetséges, ha az adatformátumok és kivágatok megegyeznek.

Adatformátum alatt az adattárolás módját értjük, mely meghatározza – többek között – az adatok élességét (tizedesjegyek számát), adattípusát.

Kivágat alatt két dolog értendő. Egyrészt a raszteres képek dimenziói (oszlopok és sorok száma, valamint az egy pixelre eső terület – vagyis a felbontás) legyenek azonosak, másrészt pontosan ugyanarra a területre vonatkozzanak. Egyszerűen szólva a raszterhálóknak fedésbe hozhatóknak kell lenniük.

A geolokációnak (vagyis az egyes pixelek földrajzi koordinátáinak) is meg kell egyezni. Ez függ például a kiválasztott referenciafelülettől (forgási ellipszoidtól) és a vetülettípustól.

Geostacionárius műholdak esetén problémát jelenthet, az eredeti felvételnek csak kis részére van szükség, például csak az Európára vagy Magyarországra vonatkozó adatokra. Az eredeti nagy adatmennyiség miatt nem célszerű az elemzést az egész lefedett területre (szélsőséges esetben egy egész félgömbre) elvégezni, s csak ezt követően kiemelni a kívánt régiót, mivel ez a folyamat igen idő- és erőforrás-igényes lehet. Ezért szükséges a nyers adatokból kivágatot készíteni, s ezzel folytatni a számítási folyamatokat, ügyelve arra, hogy a geolokáció értékeinek is változatlannak kell maradni!

7.1 ábra: Az űrfelvétel dokumentációja

(A kivágat adatai: columns (oszlopok) és rows (sorok) – a raszteres kép mérete; minimum és maximum x és y – földrajzi koordináták)

3.2A felvétel megjelenítése

Az dokumentáció ellenőrzését követően az adatok egyszerű térképként megjeleníthetők. Egy adott felvétel esetén a megjelenő képhez többféle színkiosztás (paletta) is rendelhető, de a mintázat ugyanaz. Az eredmény az ún. hamis színes felvétel, ami azt jelenti, hogy a színek nem a valóságosnak megfelelők (pl. az erdő leggyakrabban piros színnel jelenik meg ezeken). Ennek oka többrétű. Egyrészt bizonyos mintázatok valós színek esetén kevésbé különülnek el (pl. a különböző zöld árnyalatok más-más növényzettípust jelenthetnek), így ezek spektrumát a megjelenítéskor úgymond széthúzzák. Másrészt a detektált sugárzás egy jelentős része a látható tartományon kívül esik (pl. infravörös), s ezt – értelemszerűen – valós színekben nem láthatjuk, számunkra is látható színt kell hozzárendelni (ekkor úgymond összenyomják a hullámtartományt). A paletta határozza meg, hogy mely értékhez mely színeket rendelünk. Számos, a szoftverekben előre meghatározott, illetve a felhasználó által definiált színskálából választhatunk. A (7.2 ábra) ugyanazt a területet két különböző paletta használatával mutatja.

7.2 ábra: A Howe Hill területéről készült Landsat TM-1 csatorna különböző paletták használatával (bal oldal: Quantitative – Standard IDRISI Palette; jobb oldal: Qualitative)

3.3Kompozitok

Kompozitnak nevezzük a több csatorna fedvényművelettel történő egyesítéséből létrejövő képet, melyhez három felvételre van szükség. Leggyakrabban a kék, zöld és piros színeket rendelik ezekhez, szabadon kombinálható kiosztásban, mely variációs lehetőségek a kép mintázatát nem, az áttekinthetőséget viszont jelentősen befolyásolják.

A kompozitkészítés alapvető feltétele, hogy a raszteres állományok dimenzióinak (adattípus, oszlopok és sorok száma), valamint a kivágatnak (a lefedett területnek) pontosan azonosnak kell lenniük. Lényegében egy olyan fedvényművelet történik, melynek során az egymással fedésbe kerülő pixelek között történik matematikai művelet (jelen esetben összeadás, ami lényegében a színkeverésnek felel meg).

A kompozit célja a mintázatok azonosítása. Bármely tematikus térkép készítésénél az alapvető cél az, hogy az egy kategóriába tartozó területek azonos módon jelenjenek meg. Pánkromatikus képek esetén csak egyféle mintázat azonosítható, hiszen a teljes detektált sugárzási spektrum egy képen jelenik meg, így speciális elemzésekre nincs lehetőség. Multi- és hiperspektrális felvételek esetén azonban a csatornák tetszőlegesen kombinálhatók, sokféle végeredmény lehetséges. Ennek értelme és haszna azon a tényen alapszik, hogy a különböző objektumok más-más spektrumban vagy spektrumokban bocsájtanak ki egyedi, csak az adott jelenségre jellemző sugárzást, így ez alapján beazonosíthatók. Természetesen a lehetőségek csak elméletileg ilyen nagyszámúak, a gyakorlatban már kialakult, mely kombinációkat mely jelenségek megfigyelésére lehet használni. A 7.1 táblázat speciális, meteorológiai célú kompozitokat mutat be.

A 7.3 ábra a Howe Hill területét mutatja, a bal oldalon a látható tartományban a valóságoshoz hasonló színkiosztással (a TM-1-hez kék, a TM-2-höz zöld, a TM-3-hoz pedig piros színt rendelve), a jobb oldalon pedig az infra-tartományokban (TM-4. TM-5. és TM-6.).

7.1. táblázat: Meteorológia célú kompozitok (Lensky és Rosenfeld alapján)

Felhasználás célja

Piros csatorna

Zöld csatorna

Kék csatorna

Nappali természetes színek

NIR 1,6

VIS 0,8

VIS 0,6

Nappali mikrofizikai

VIS 0,8

IR 3,9

IR 10,8

Nappali sugárzásmennyiség

VIS 0,8

NIR 1,6

IR 3,9

Konvektív viharok

WV 6,2 – WV 7,3

IR 3,9 – IR 10,8

NIR 1,6 – VIS 0,6

Éjszakai mikrofizikai

IR 12,0 – IR 10,8

IR 10,8 – IR 3,9

IR 10,8

Nappali és éjszakai, valamint sivatagi por

IR 12,0 – IR 10,8

IR 10,8 – IR 8,7

IR 10,8

Légkör tömeg

WV 6,2 – WV 7,3

IR 9,7 – IR 10,8

WV 6,2

7.3 ábra: A Howe Hill a látható (bal oldal) és az infra-tartományban (jobb oldal)

3.4Az űrfelvétel módosítási-javítási lehetőségei

Az űrfelvételek feldolgozása történhet közvetlenül az eredeti értékekre alapozva vagy végrehajthatók módosítások a jobb, átláthatóbb eredmény érdekében. A művelet történhet az eredeti felvételi sávokon (csatornákon) vagy a kompoziton is, vagyis lényegében bármely munkafázisban. Alapvetően két típusú eljárásról lehet szó: élek kiemelése és/vagy szűrés.

Az élek kiemelése a szomszédos, eltérő értékű pixelekkel megadható területek közötti különbséget emeli ki oly módon, hogy a pixelek értékeit távolítja egymástól. Az eredeti felvétel így módosul (már nem a valós értéket mutatják), de a kiértékelés szempontjából fontos mintázat változatlan marad, s a kontrasztosabb kép átláthatóbb.

A szűrés egy bizonyos mérettartomány alatti pixelcsoport „beolvasztását” jelenti a szomszédos területekbe. Ennek oka, hogy az eredeti felvételt alkalmazva a végső eredménytérkép túlságosan mozaikos lenne, mely bár pontosabb, de sokkal nehezebben áttekinthető, használható. Ez az eljárás lényegében egyfajta generalizálás.

A szűrés alapvetően két paraméterrel adható meg: a matematikai-geometriai eljárás típusa, illetve a kiszűrt (beolvasztott) pixelcsoportok maximális mérete. Ez utóbbit növelve a tematikus térkép egyre egyszerűbbé válik, ugyanakkor egyre pontatlanabbá is. A 7.4 ábra egy ilyen, ún. mean filterrel készített szűrés eredményét mutatja be.

7.4 ábra: A Howe Hill TM-1. csatornájának eredeti (baloldal) és szűrt képe (jobboldal)

3.5 Osztályozás

Az eredeti űrfelvételen – a valóságnak megfelelően – nagyon sok típusú elemet lehet elkülöníteni, melyek nagy száma már inkább a felhasználhatóságot gátolja, mintsem a pontosságot növeli. Szükséges tehát egyfajta generalizálás, vagyis meghatározott – az aktuális célnak megfelelő – összevonás, erre alapozva újraosztályozás. Például egy egyszerű felszínborítottsági térképen nem szükséges az erdők típusát, korát, egyéb paramétereit ismerni, csak azt az egy dolgot, hogy erdő borítja-e valójában azt a területet; vagyis minden fás vegetáció az „erdő” kategóriába kerül. Ezen eljárás lehet automatikus vagy manuális.

Automatikus osztályozás

Automatikus osztályozás esetén a generalizálás mechanikusan történik, a felhasználó csak néhány paramétert adhat meg (például a kategóriák számát, intervallum-értékeit, az eljáráshoz használt matematikai függvényeket). Előnye a gyorsaság, hátránya viszont, hogy nem a valós kategóriákhoz igazodik. Vegyünk például egy olyan – nagyon leegyszerűsített esetet, amidőn a felvételen elkülöníthető egy erdő, egy cserjés és egy füves vegetáció. Egy egyszerű vegetációtérképen két kategóriára lesz szükség: erdő és füves növényzet, vagyis a cserjést „be kell olvasztani” a szomszédos kategóriákba. Automatikus osztályozást választva előfordulhat, hogy pl. a cserjést nem az erdőhöz sorolja (ahová logikusan tartoznia kellene), hanem a füves növényzethez, mivel sugárzási spektruma ahhoz áll közelebb. A 7.5. ábra a 7.3. ábrán látható terület három kategóriába történő újraosztályozásával készült. Megfigyelhető, hogy úgymond mennyi információ veszik el az eredetihez képest, ugyanakkor mennyivel könnyebben áttekinthető.

7.5 ábra: A Howe Hill TM-1. csatornájának automatikus eljárással újraosztályozott képe

Tanulóterületek alapján történő osztályozás

A valós követelményeknek sokkal jobban megfelel, ha a felhasználó határozza meg, összesen hány kategóriára van szüksége s ezekbe mely elemek tartozzanak. Ehhez ún. tanulóterületeket kell kijelölni az eredeti felvételen. Ezek olyan területek, melyek valós tartalma ismert (pl. terepbejárással meghatározva). A művelet során a felhasználó az egy kategóriába rendelni kívánt, de különböző értékű pixeleket valamilyen módon megjelöli. A legegyszerűbb eljárás az, amidőn ezekből a kategóriákból kis területeket körbehatárol, majd ez alapján (immár automatizálva) megtörténik az újraosztályozás (vagyis a hasonló területeket bevonja ebbe a kategóriába). A 7.6 ábrán látható az egy kategóriába sorolni kívánt területek kijelölése (a kép bal felső negyedében található élénk színű három folt). Az eredetivel való összevetésért lásd a 7.3 ábrát. Majd a tanulóterületek alapján megtörténik az újraosztályozás (7.7 ábra).

7.6 ábra: Tanulóterületek kijelölése a Howe Hill területén, a TM-1. sávon (baloldal: az eredeti műholdfelvételen kijelölt tanulóterületek (világoskék, sötétkék és sárga foltok), jobboldal: a tanulóterületek kiemelése)

7.7 ábra: A Howe Hill TM-1. csatornájának manuális eljárással újraosztályozott képe

3.6 Statisztika, lekérdezés

A létrehozott tematikus térképek önmagukban csak egyszerű vizuális kiértékelésre alkalmasak, azaz például raszteres képként elmentve láthatók a mintázatok. Pontosabb eredmények eléréséhez szükséges a mintázatok geometriájának kvantitatív elemzése, statisztikai eljárások alkalmazása, lekérdezések (SQL műveletek). A legegyszerűbb ilyen típusú meghatározás például az egyes kategóriák területszázalékos arányának meghatározása.