Известно, что максимальный объем информации человек получает, рассматривая визуальные изображения. В настоящее время наиболее перспективными являются цифровые методы обработки информации. Поэтому весьма важное значение имеет определение сущности цифровых изображений вообще и в фотограмметрии в частности.
Цифровые изображения – это зарегистрированные в цифрах на носителях информации излучения, передающие данные о различных объектах в виде снимков, карт, рисунков, чертежей и т.д.
Цифровые изображения в фотограмметрии – это цифровые снимки (ЦС), отображающие данные, необходимые потребителю, (например, о топографических элементах местности – для топографии; о человеческом организме – для медицины и т.д.). ЦС могут быть получены преобразованием излучений в цифры в съемочной аппаратуре (например, на спутнике с последующей передачей данных на Землю по каналам связи), цифрованием фотоснимков на фотограмметрических сканерах.
ЦС формируются в пространственной прямоугольной системе координат с осями Xп, Yп, Dп (рис. 1). В плоскости XпYп снимки имеют вид матрицы квадратов. Отдельный квадрат матрицы называют пиксел
или пиксель
. Размер пикселов и расстояние между ними обычно одинаковы. Плоскую прямоугольную систему координат с осями xп, yп, называют пиксельной системой координат в отличие от плоской прямоугольной системы координат снимка x, y.
Рисунок 1. – Пространственная система координат с осями Xп, Yп, Dп
Центру каждого пиксела соответствует число, выражающее усредненное по площади интегральное значение оптической плотности пиксела. При преобразовании в цифры весь диапазон плотностей делится на 256; 512 или 1024 уровней. Таким образом, цифровой снимок является пространственной трехмерной дискретной структурой.
ЦС могут быть одиночными или стереоскопическими. По стереоскопическим можно построить цифровую полутоновую трехмерную геометрическую модель.
Обработка и ЦС заключается в их преобразовании цифровыми или аппаратурными средствами.
Изобразительные и измерительные свойства цифровых снимков описываются теми же характеристиками, что и фотоснимков, но с учетом параметров пиксела бортовой аппаратуры или сканера, применяемых для получения цифровых снимков.
Для улучшения измерительных и изобразительных свойств ЦС калибруют по эталонам: геометрическим (например, контрольным сеткам) и фотометрическим (например, оптическим клиньям). Для аппаратурных ЦС калибровка выполняется на наземных пунктах обработки, для фотоснимков – путем калибровки сканеров с последующим введением поправок в каждый пиксел с помощью программных средств.
Размер пиксела определяется либо размером пиксела бортовой аппаратуры, либо возможностями фотограмметрического сканера, который настраивается с учетом вида выполняемых работ (измерение координат точек снимков, построение цифровой модели рельефа, дешифрирование и др.). Для уменьшения или увеличения изображения размер пиксела может программно меняться.
Изобразительные свойства ЦС характеризуют его способность передавать оптические контрасты и объекты минимальных размеров (А. Н. Живичин, В. С. Соколов Дешифрирование фотографических изображений. – М.: Недра, 1980. – 254с.).
Оптические (визуальные) контрасты обусловлены разностью энергетических излучений точек объектов. При передаче и регистрации излучение, например от точек местности, претерпевает изменения из-за влияния дымки, светорассеяния атмосферы и оптики, а также в процессе преобразования в оптическую плотность. Поэтому оптические контрасты не совпадают с тоновыми.
Тоновые (фотографические) контрасты выражаются разностью плотностей различных изображений на ЦС
Именно контрасты позволяют дешифрировать изображения.
Оценка передачи тоновых контрастов проводится по фотометрическим характеристикам: вуали, фотографической широте, средней плотности и коэффициенту контрастности.
Возможность ЦС передавать объекты минимальных размеров характеризуется разрешающей способностью, резкостью изображения и разрешением на местности.
Разрешающая способность выражается числом раздельно изображаемых линии (штрихов) абсолютного контраста на 1 мм изображения. Этот критерии позволяет оценить возможности снимка по раздельной передаче близко расположенных объектов минимальных размеров и обеспечивает сравнение различных снимков применительно к стандартным условиям. Для определения разрешающей способности применяются специальные тест‐объекты, называемые мирами. Согласно стандартам, контраст мир для оценки снимков должен быть равен единице.
Наиболее точный способ определения разрешающей способности – съемка специальной миры, построенной непосредственно на исследуемом объекте, причем в условиях получения снимков (первый способ). На местности такие миры создаются на специальных полигонах. Однако возможность применения такого способа встречается очень редко.
Оценить разрешающую способность можно и с помощью усредненной толщины наиболее тонких линейно протяженных объектов, приведенной по соответствующей формуле к оценке по резольвометрической мире (второй способ). В этом способе на снимках с помощью бинокулярного микроскопа измеряют ширину не менее 15 самых тонких линейно протяженных объектов с четкими и непрерывными границами. Каждый объект измеряют трижды. Результаты усредняют и отбирают измерения, удовлетворяющие условию
которые снова усредняют. Разрешающую способность определяют по формуле
Третий способ оценки разрешения – по ширине пограничной кривой на границе контрастирующих объектов, например вода – берег, предусматривает применение микрофотометра. Разрешающая способность определяется по формуле
где mз – знаменатель масштаба записи регистрограммы; Lx – ширина зоны перехода.
Четвертый способ основан на связи разрешающей способности и оптимального увеличения изображения
Для определения Rсн в центре и на краю снимка выбирают участки с наибольшим количеством мелких деталей и рассматривают их на приборе с переменным увеличением. Увеличение, при котором новые детали не обнаруживаются, считается оптимальным.
Рассмотренный критерий оценки изобразительных свойств снимков является усредненным. Его величина может изменяться в несколько раз, если оценку проводить при разных уровнях тоновой (фотографической) плотности на различных участках снимка
Разрешение снимка на местности характеризует размер минимального раздельно изображающегося на снимке объекта в метрах
Разрешение снимка Rм в качестве критерия удобно для использования на практике, так как выражает реальную детализацию объектов местности на снимках.
Резкость изображения характеризует возможность передачи формы объектов и определяет предел увеличения при визуальном рассматривании. Этот критерий тесно связан с разрешающей способностью (4‐й способ). На практике резкость оценивают с помощью луп 11‐ и 17‐кратного увеличения:
удовлетворительная резкость – при увеличении в 17 раз размытых контуров нет;
пониженная резкость – появляется размытость при увеличении в 17 раз, при увеличении в 11 раз размытых контуров нет;
неудовлетворительная резкость – размытость при увеличении в 11 раз.
Измерительные свойства цифровых снимков характеризуются точностью воспроизведения на них геометрических параметров (координат, расстояний, площадей, объемов) элементов местности и объектов. На точность определения геометрических параметров влияет множество факторов. Важнейшими из них являются:
нерезкость снимка из‐за дифракции, аберрации, расфокусировки, размера пиксела, зернистости эмульсии (для цифровых фотоснимков), ореолов, смещения съемочной аппаратуры в процессе экспонирования;
искажение математической проекции снимка из‐за кривизны Земли и рефракции, дисторсии, деформации фотоматериала и невыравнивания пленки (для цифровых фотоснимков);
ошибки измерений точек ЦС из‐за неточностей опознавания, наведения и погрешностей прибора.
Измерительные свойства цифровых снимков определяют по паспортным данным материалов съемки, а также при фотограмметрической обработке.
Цифровые снимки и компьютерные технологии их обработки получают у нас в стране все большее распространение, а в высокоразвитых зарубежных странах вытесняют традицмонные технологии, основанные на обработке фотоснимков. В связи с этим интенсивно развиваются и совершенствуются методы цифровой фотограмметрии.
На первых этапах применения цифровые снимки, получаемые нефотографическими оптико-электронными съемочными системами, преобразовывались в фотоснимки и обрабатывались на традиционных фотограмметрических приборах. Впоследствии стали разрабатываться специальные цифровые фотограмметрические приборы или цифровые фотограмметрические станции (ЦФС). Их создание было обусловлено совершенствованием вычислительной техники и повышением характеристик ее процессорной базы и средств манипулирования большими объемами цифровой информации.
Широкое внедрение вычислительной техники, сопровождаемое быстрым снижением ее стоимости и увеличением мощности и быстродействия, успехи в области создания и использования геоинформационных систем (ГИС), а также применение изображений, получаемых цифровыми съемочными системами, обусловили создание и использование рядом зарубежных фирм цифровых фотограмметрических систем и рабочих станции. Эти системы начинают все шире внедряться в практику фотограмметрических работ, что связано с возможностью более полной автоматизации технологических процессов создания и обновления топографических карт и получения ортопланов.
Следует отметить следующие преимущества цифровых снимков по сравнению с фотографическими:
более широкие возможности преобразования при обработке и лучшие условия для автоматизации фотограмметрических процессов;
отсутствие потребности в использовании дорогостоящего прецизионного оптико‐механико‐электронного оборудования;
оперативность передачи информации с борта носителя по каналам связи, а в случае определения элементов внешнего ориентирования – возможность получения картографической информации практически одновременно с поступлением видеоданных;
носители цифровых данных не содержат драгоценных металлов, могут многократно использоваться для перезаписи изображений; копирование информации не сказывается на ее качестве.