научная статья по теме ОБНАРУЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО РАЗНОВРЕМЕННЫМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОБНАРУЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО РАЗНОВРЕМЕННЫМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 5, с. 37-41

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ^^^^^^

И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

УДК 528.88(15)

ОБНАРУЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО РАЗНОВРЕМЕННЫМ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ

© 2008 г. В. Н. Сагалович*, Э. Я. Фальков, Т. И. Царева

ФГУП "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем", Москва *Тел.: (499) 157-94-33; e-mail: sagalovich@gosniias.ru Поступила в редакцию 05.02.2008 г.

Предложен метод обнаружения изменений на местности, основанный на пороговой обработке разности нормированных разновременных изображений. Он инвариантен относительно линейных преобразований яркости анализируемых изображений и поэтому нечувствителен к изменениям калибровочных зависимостей сенсоров и к схемам радиометрической и атмосферной коррекции, описываемым линейными зависимостями. Для оценки эффективности метода использовались как результаты нахождения числа измененных пикселов в сопоставляемых синтезированных тестовых изображениях с гауссовыми шумами различной интенсивности, так и расчеты по разновременным цветным снимкам сканера TM ИСЗ Landsat площади повреждения, вызванной пожаром.

ВВЕДЕНИЕ

Существующие в настоящее время приборы и методы анализа данных дистанционного зондирования позволяют регулярно получать оценки характеристик земной поверхности и обнаруживать их изменения. Своевременное и точное определение этих изменений необходимо для понимания природы наблюдаемых явлений и для принятия обоснованных решений. Предложено множество подходов к исследованию этой проблемы, выбор которых зависит, в частности, от специфики изучаемой проблемы и не является однозначным [1].

Важным частным случаем является обнаружение изменений при обработке мультиспектраль-ных изображений одной и той же географической площади, полученных в моменты времени и ?2. Учитывая большой объем данных, собираемый сенсорами на борту летающих платформ, целесообразно предусмотреть этап автоматизированного обнаружения самого факта изменения на местности с последующим выявлением природы этого изменения компетентными специалистами. При этом необходимо учитывать, что к моменту ?2 могут быть другими и, вообще говоря, неизвестными характеристики атмосферы, угол Солнца, калибровка сенсора.

В настоящей статье разработан метод обнаружения изменений, инвариантный относительно линейных преобразований яркости анализируемых изображений и поэтому нечувствительный к изменениям калибровочных зависимостей сенсоров и к схемам радиометрической и атмосферной коррекции, описываемым линейными зависимостями. Инвариантность обеспечивается специальной нормировкой исходных изображений.

Метод основан на пороговой обработке разностей нормированных разновременных изображений в каждом канале наблюдения с последующим подсчетом суммарного числа измененных пикселов. Эффективность метода оценивается на примерах обнаружения изменений в синтезированных тестовых изображениях со случайными шумами различной интенсивности.

Следует отметить, что важная для практических применений инвариантность к линейным преобразованиям обеспечена в известном методе анализа разновременных мультиспектральных изображений, основанном на использовании канонического корреляционного анализа (multivariate alteration detection — MAD) [2]. Однако в этом методе отсутствует однозначное решающее правило, позволяющее провести сегментацию изображения и выделить измененные пикселы.

В статье сопоставляются результаты, полученные предложенным методом и методом MAD при определении по разновременным цветным изображениям сенсора TM ИСЗ Landsat площади, поврежденной пожаром.

РАСЧЕТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

Пусть Х1 и Х2 — монохроматические изображения размером I х К пикселов одной географической площади, полученные в моменты времени и ?2. На изображении Х2 ищутся те пикселы, которые можно считать изменившимися по сравнению с изображением Х1. Обозначим

= (X - теап(Х1))/ст1, *2 = (X? - теап(Х>))/ст2,

38

САГАЛОВИЧ и др.

где шеап(Х1), шеап(Х2) — средние значения яркости для изображений; сть а2 — соответствующие среднеквадратические отклонения.

Очевидно, что значения х1 и х2 инвариантны относительно линейных преобразований Х1 и Х2. При этом их средние значения шеап(х1) = = шеап(х2) = 0, дисперсия уаг(х1) = уаг(х2) = 1.

Введем переменную у, пробегающую значения от 0 до 255

y = (|x2 — xi| — min) х 255/(max — min),

(1)

g = о

;= T + i

Gi(T) = |Pi(T)1 X hg[g- И1 (T)]21 ,

255

J( T) = 1 + 2 [Pi(T) lnGl + P2(T) ln02(T)] -- 2[ Pi( T) ln Pi( T) + P2 (T) ln P2 (T) ].

(2)

Метод Капура Обозначим H(T) = — к. 1пй„. Искомое T

= 0 6 а

вычисляется из условия максимума функционала ¥(7):

¥( T) = ln [ Pi ( T) P2 ( T) ] + H( T) /Pi ( T) + + [H(255) - H( T)]/P2( T).

(3)

где min, max — минимальное и максимальное значения модуля разности x2 — x1.

При пороговой обработке [3] изображения y ищется подходящее значение порога T такое, что при y,k > T(i = 0, 1, ... I- 1; к = 0, 1, ... K- 1) пикселы соответствуют измененной части изображения. Предложены различные подходы к расчету T, однако накопленный опыт обработки изображений показал [3], что предпочтительными оказываются известные методы минимальной ошибки Киттлера [4] и максимальной энтропии Капура [5]. Поэтому в данной статье использовались именно эти методы.

Для выполнения расчетов необходимо построить гистограмму hg (g = 0, 1, ... 255) выборки значений яркости изображения у.

Метод Киттлера Введем обозначения:

T 255

Pi ( t = X ^ P2 ( T = X ^

g = 0 g = T + i

T 255

Hi(T) = Pi(T)-i Xhgg, T) = P2(T)-i X hgg,

После определения величины порога Т для конкретного канала мультиспектрального изображения можно найти количество измененных пикселов. Суммируя по всем каналам и учитывая каждый измененный пиксел только один раз, находим их общее количество, которое, в частности, может служить критерием при автоматизированном решении вопроса о передаче изображения на рассмотрение специалистам для дальнейшего анализа.

Анализ тестовых изображений

Для оценки эффективности различных алгоритмов сегментации предпочтительно использовать синтезированные тестовые изображения, поскольку они легко воспроизводятся в различных исследованиях и их характеристики просто контролировать [6]. В настоящей работе первое из разновременных изображений задавалось формулой

Imp = 112 + 32sin(p/«)sin(q/«),

G2( T) = Ы( T)-i X hg[g - ( T) ]2 j- .

^ g = T + i '

Искомое значение T вычисляется из условия минимума функционала J(T)

(4)

гдер = 0, 1, ... 255 и q = 0, 1, ... 255, а п характеризует размеры темных и светлых областей на изображении. Второе изображение отличалось от первого только тем, что в его центре размещался круг радиуса г с уровнем яркости 144, причем принималось, что в формуле (4) п = 2п/г. На рис. 1 представлены эти изображения (при г = 32.3).

При оценке точности расчетов по определению площади изменений 8с следует учитывать, что значение этой площади для тестовых изображений известно и составляет яг2. Ошибка в определении 8с оценивается по формуле Ег = Пг2 — ^с|/яг2 [6].

Были проведены расчеты Ег для разновременных тестовых изображений при наложении на них гауссовых шумов с нулевым средним и сред-неквадратическими отклонениями а = 0, 4, 8 и 16. Величины порогов Т находились методами Киттлера и Капура с помощью оптимизации функционалов (2) и (3). Кроме того, простым перебором находилось оптимальное значение Т, которое минимизировало ошибку Ег.

На рис. 2 представлены зависимости ошибок оценки площади изменений Ег от уровня шумов. Видно, что при наличии шума метод Капура менее эффективен, чем метод Киттлера, и оба эти метода не позволяют достигнуть результатов, полученных при оптимальном выборе значения по-

ОБНАРУЖЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

39

&

ь Иг

и ■

^чци

б

Рис. 1. Синтезированные тестовые изображения: а — исходное изображение; б — изображение с измененной яркостью внутри центрального круга (г = 32.3).

рога Т В дальнейших расчетах порог Т будет находиться методом Киттлера.

Выявление изменений, вызванных пожаром, по разновременным цветным изображениям

С целью апробации предложенного метода применительно к натурным изображениям были обработаны цветные снимки, полученные с помощью сканера ТМ ИСЗ Ьапё8а1 для области вбли-

Ошибка

Ошибка

ст

Рис. 2. Ошибки определения площади изменений по разновременным тестовым изображениям с шумами различной интенсивности (a1 — оптимальное значение порога, a2 — метод Киттлера, a3 — метод Капура): а — задаваемая относительная площадь изменений 0.05; б — задаваемая относительная площадь изменений 0.15.

зи оз. Тахоа, шт. Невада, до пожара (8.05.1986 г.) и после пожара (8.05.1992 г), размещенные на Интернет-сайте центра данных EROS [7] (соответствующие полутоновые изображения в цветовой системе NTSC ([8], стр. 216) представлены на рис. 3). С помощью стандартных алгоритмов по этим снимкам были получены монохроматические изображения (размером 200 х 200 пикселов, площадью Sim = 4 х 104) в соответствующие моменты времени для красного, зеленого и синего каналов. Для каждого канала рассчитывалась разность нормированных изображений, которая преобразовывалась по формуле (1), и строилась гистограмма значений у. Далее из условия минимума функционала J(T) (2) находились значения порогов и площади Sc, занятые измененными пикселами. Было получено, что отношение SJSim равно для красного канала 0.14, для зеленого канала — 0.13 и для синего — 0.11.

При нахождении общей площади поражения пожаром Sf оказалось, что многие пикселы по-

40

САГАЛОВИЧ и др.

Рис. 3. Полутоновые изображения области вблизи оз. Тахоа, шт. Невада, соответствующие цветным снимкам, полученным с помощью сканера TM ИСЗ Landsat: а — снимок от 08.05.1986 г. (до пожара); б — снимок от 08.05.1992 г. (после пожара).

вторяются как измененные в двух или трех каналах. Эти пикселы учитывались только один раз. Расчеты показали, что S/Sim = 0.23.

Для нахождения ошибок Er использовались результаты обработки представленного в [7] дополнительного изображения, на котором выделена площадь поражения Sa, вызванного пожаром. Было

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком