3

CARTOGRAFIE DIGITAL Curs 3 Teodor TODERA

3. Georeferenierea imaginilor digitale

n procesul de realizare a hrilor digitale sunt utilizate frecvent, ca surs de culegere a datelor, imaginile raster ale hrilor i planurilor topogrfafice obinute prin intermediul scanner-ului, precum i imaginile digitale obinute prin teledetecie pentru actualizarea coninutului hrii.

Metoda utilizrii imaginilor raster scanate sau a imaginilor digitale de teledetecie este eficient ntruct pentru obinerea datelor vectoriale sunt utilizate programe de cartografiere sau de prelucrare a imaginilor de teledetecie care pot face vectorizare pe imaginea raster sau digital.

Imaginea raster a materialui cartografic (hri i planuri) obinut la scanner conine erori de scanare, provocate de imperfeciunile opticii sistemului de nregistrat al scanner-ului, care influeneaz poziia planimetric a detaliilor topografice i geografice. Aceste erori (deformri grafice) cauzate de scanner au valori diferite pe cele dou axe de scanare, deformarea imaginii scanate fiind diferit pe cele dou direcii de baz. Este necesar ca aceste erori de scanare s fie eliminate pentru a nu influena precizia datelor nregistrate n baza de date geografice a hrii digitale ce se creaz. Eliminarea acestor erori de deformare a imaginii scanate se poate face prin procesul de georefereniere a imaginii, proces care pe lng aducerea imaginii n sistemul de coordonate al hrii elimin i erorile produse n operaia de scanare.

Imaginile digitale de teledetecie conin i ele erori de deformare a geometriei imaginii care pot fi eliminate prin georefereniere. Avantajul utilizrii imaginilor digitale de teledetecie este acela c elementele terenului din coninutul acestora sunt actuale i concord realitatea din teren.

Georeferenierea este procesul prin care o imagine raster reprezentnd o zon de teren sau o poriune de hart este adus n coordonatele geodezice ale sistemului de proiecie curent, prin operaiile de translaie, rotaie i aducere n scar, astfel nct detaliile topografice i geografice reprezentate n coninutul acesteia s corespund cu poziia lor real din teren. Dup efectuarea georeferenierii imaginii scanate, aceasta se vectorizeaz (digitizeaz), fie manual cu ajutorul mouse-ului fie automat cu ajutorul modulului de vectorizare automat a programului de cartografiere utilizat.

Pentru efectuarea georeferenierii unei imagini raster este necesar identificarea n imagine a pixelilor corespunztori poziiei planimetrice a punctelor reper nregistrate (detalii topografice punctiforme sau intersecii ale detaliilor topografice liniare), ce au coordonate geografice sau coordonate geodezice determinate prin metode riguroase.

Aceste puncte reper sunt utilizate pentru determinarea coeficienilor relaiilor de transformare a imaginii raster din sistemul de coordonate ale scanner-ului n sistemul de coordonate ale hrii. Avnd determinai aceti coeficieni, ei sunt utilizai apoi pentru transformarea imaginii raster n sistemul de coordonate ale hrii, prin calculul coordonatelor tuturor pixelilor imaginii raster n sistemul de coordonate ale hrii, operaiune care se face pe baza relaiilor de transformare dintr-un sistem de coordonate n altul.

n literatura de specialitate exist, din punct de vedere matematic, mai multe tipuri de transformri dintr-un sistem de coordonate n altul, dintre care pentru georefereniere sunt utilizate mai frecvent trei: transformarea polinomial, transformarea Helmert i transformarea afin.

Transformarea polinomial utilizeaz polinomul de gradul n pentru determinarea parametrilor transformrii i pentru efectuarea transformrii, operaiune care presupune calculul coordonatelor tuturor pixelilor imaginii n sistemul de coordonate ale hrii.

Relaiile generale de transformare sunt:

(7.1)

unde: Xi, Yi coordonatele pixelului n sistemul scannerului;

A1, , (1 i A2, , (2 parametrii polinomului de transformare;

Xref, Yref coordonatele pixelului georefereniat (n sistemul de proiecie cartografic utilizat).

n cazul imaginilor digitale de hart obinute prin scanare se utilizeaz polinomul de ordinul II care impune utilizarea a 6 puncte reper pentru georefereniere care au coordonate n ambele sisteme (cel al scanner-ului i cel al hrii). Sunt necesare minim 6 puncte reper deoarece ecuaia de ordinul II ce rezolv acest tip de transformare este de fapt ecuaia unui paraboloid i paraboloidul este definit prin 6 puncte. Dup cum se observ din relaiile (1), determinarea coeficienilor ecuaiilor de transformare (Ai, , (i), se face pe baza coordonatelor planimetrice ale punctelor reper, cunoscute n cele dou sisteme de coordonate. Cunoscnd acum valorile coeficienilor de transformare, se face transformarea tuturor pixelilor imaginii raster n sistemul de coordonate al hrii pe baza coordonatelor planumetrice (Xi, Yi) ale acestora din sistemul scanner-ului, nregistrate n fiierul imaginii raster.

Transformarea polinomial este utilizat frecvent pentru georeferenierea imaginilor digitale ce conin pe lng deformrile geometrice de scanare i alte tipuri de deformri geometrice. Ea este inclus n unele programe de cartografiere computerizat prevzute cu meniu pentru selectarea transformrii.

Transformarea Helmert utilizeaz relaiile:

(7.2)

unde: ;

; x, y coordonatele pixelului imagine

a1, a2 coeficienii ecuaiilor

Xm, Ym, xm, ym coordonatele centrului de greutate

Xref, Yref coordonatele pixelului georefereniat

Pentru efectuarea transformrilor de tip Helmert se utilizeaz minim 4 puncte reper, pe baza crora se determin coeficienii de transformare.

Relaiile de transformare Helmert sunt incluse n programele de aplicaii pentru cartografiere computerizat, prevzute cu meniu pentru alegerea tipului de transformare.

Transformarea afin utilizeaz relaiile:

(7.3)

unde:

; x, y coordonatele pixelului imagine

a1, a2, b1, b2 coeficienii ecuaiilor

Xm, Ym, xm, ym coordonatele centrului de greutate

Xref, Yref coordonatele pixelului georefereniat

Transformrile afine presupun utilizarea a minim 4 puncte reper, pe baza crora se determin coeficienii de transformare.

Relaiile de transformare afin sunt incluse n programele de aplicaii pentru cartografiere computerizat, prevzute cu meniu pentru alegerea tipului de transformare.

3.1. Reeantionarea imaginii digitale georefereniate

Operaiunea de reeantionare presupune atribuirea fiecrui pixel georefereniat valoarea nuanei de culoare sau a nivelului de gri (valoarea densitii de tonalitate) corespunztoare pixelului corespondent din imaginea surs (imaginea digital negeorefereniat). Practic se atribuie fiecrui pixel georefereniat din fiierul de ieire, nuana de culoare, respectiv nivelul de gri corespunztor pixelului corespondent negeorefereniat din fiierul surs.

n acest scop se retransform cu relaiile (6.10), coordonatele pixelului georefereniat ce trebuie reeantionat, n sistemul de coordonate a imaginii digitale iniiale negeorefereniate.

. (6.10)

unde: X vectorul coordonatelor retransformate ale pixelilor n sistemul imaginii negeorefereniate; Xref vectorul coordonatelor pixelilor georefereniai;

A-1 inversa matricei de transformare.

Se extrage apoi valoarea nuanei de culoare (codul de culoare) sau a nivelului de gri a pixelului negeorefereniat din imaginea digital surs (negeorefereniat), identificat prin coordonatele retransformate, i se atribuie aceast nuan de culoare, respectiv acest nivel de gri, pixelului georefereniat.

Acest proces de determinare a coordonatelor retransformate ale pixelului georefereniat este necesar a se aplica obligatoriu imaginilor digitale obinute cu aparate sau sisteme digitale montate pe vehicule spaiale, deoarece obinerea acestor imagini digitale cu astfel de tehnici se bazeaz pe perspectiva central i nu pe proiecia ortogonal, ele prezentnd deformri n poziia planimetric pe imagine a detaliilor topografice i geografice cauzate de diveri factori, dintre care cel mai important factor este diferena de nivel a terenului nregistrat.

n cazul imaginilor digitale ale materialelor cartografice obinute prin scanare erorile planimetrice sunt cauzate doar de dispozitivul de scanare, erori ce se elimin prin procesul de georefereniere i coordonatele retransformate ale pixelului georefereniat vor coincide cu cele ale pixelului ce se georefereniaz (eroarea n poziie a celor dou rnduri de coordonate fiind neglijabil).

ntruct poziia pixelului corespondent din imaginea digital negeorefereniat nu se poate identifica riguros (mai ales n cazul imaginilor digitale ale terenului preluate din vehicule spaiale), datorit erorilor de retransformare, pentru extragerea nuanei de culoare sau a nivelului de gri corespondent pixelului georefereniat se poate aplica una din metodele de interpolare prezentate n literatura de specialitate.

n continuare sunt prezentate aceste metode.a) Metoda celui mai apropiat vecin const n atribuirea pixelului redresat (de coordonate xr, yr) a valorii de nuan de culoare sau a valorii de gri a celui mai apropiat pixel vecin poziiei retransformate a pixelului redresat.

Practic, se identific n imaginea digital negeorefereniat pixelul vecin cel mai apropiat de poziia pixelului georefereniat (de coordonate xr, yr determinate), recalculat n sistemul imaginii digitale negeorefereniate i i se atribuie nuana de culoare sau de gri a acestuia (fig. 6.1).

Metoda nu produce pierderi de informaii de nivel de gri la redresare ntruct nu face o mediere a nivelurilor de gri.

b) Metoda interpolrii biliniare const n interpolarea biliniar i obinerea unei valori medii a nuanei de culoare sau

de gri pentru pixelul georefereniat, care rezult din valorile nuanelor de culoare sau de gri a 4 pixeli situai ntr-o fereastr de 2(2 pixeli n jurul poziiei retransformate (fig. 6.2).

c) Metoda convoluiei cubice const n interpolarea cu o funcie cubic a nuanei de culoare sau a nivelului de gri a pixelului georefereniat din 16 pixeli situai ntr-o fereastr de 4(4 n jurul poziiei retransformate (fig. 6.3).

Metoda este indicat cnd dimensiunea pixelilor georefereniai difer mult de dimensiunea pixelilor din imaginea surs.

Pentru reeantionarea imaginilor digitale georefereniate este indicat metoda celui mai apropiat vecin ntruct este mai rapid, mai simpl de utilizat i nu produce pierderi de informaii ale nivelului de gri, metod ce poate fi selectat din meniul software-ului utilizat.

(x, y)

(xr , yr)

Pixel vecin

(cel mai apropiat

de pixelul georefereniat de coordonate xr, yr)

Fig. 6.1. Interpolarea prin metoda celui mai apropiat vecin

Fig. 6.2. Interpolarea biliniar

(xr yr)

(x1, y1)

dy

(x2,y2)

(x3, y3)

(x4, y4)

dx

Fig. 6.3 Interpolarea prin convoluie cubic

(xr, yr)

PAGE 6

_1205335370.unknown

_1205336390.unknown

_1205400447.unknown

_1253792732.unknown

_1205335436.unknown

_1205335481.unknown

_1189361569.unknown

_1189361641.unknown

_1194254901.unknown

_1189361578.unknown

_1189360902.unknown