Основной элемент, составляющий цифровое изображение, называется пикселом, это производное от словосочетания "picture element" (элемент изображения). При работе с цифровыми изображениями в ГИС и дистанционном зондировании важно понимать, как создается пиксел.
Основной формат цифрового изображения
Цифровое изображение составлено из прямоугольной матрицы чисел, которые используются для формирования изображения. Оно имеет как геометрические, так и радиометрические свойства. Каждое число в матрице представляет собой пиксел. Пиксел в его базовой форме - это число в матрице, которое описывает яркость и цвет точки на изображении при ее отображении. Такой формат данных также называется растром или изображением. Физика того, что содержит число в матрице, зависит от геометрии, значения пиксела и цвета, который он представляет, и связана с его радиометрией. Он фиксирует взаимодействие света и окружающей среды в определенном географическом месте.
Природа света
Свет ведет себя либо как волновая форма, либо как частица. Свет - это поток частиц, называемых фотонами. Эти частицы исходят от солнца и проходят через атмосферу, где некоторые из них поглощаются, а некоторые рассеиваются, сталкиваясь с частицами воздуха, водяным паром и другими составляющими атмосферы. Этот поток фотонов, как напрямую от солнца, так и не напрямую из атмосферы, называется нисходящим излучением или освещенностью. Затем фотоны попадают на целевой объект на поверхности Земли, где некоторые фотоны поглощаются целью, а некоторые отражаются. Те, что отразились, передаются датчику, некоторые проходят через атмосферу, а некоторые снова поглощаются. Процент, который измеряется датчиком, называется коэффициентом пропускания.
Взаимодействие света с датчиком
Фотоны, достигающие передней части датчика, собираются объективом и фокусируются на фокальной плоскости в задней части корпуса датчика. Фокальная плоскость представляет собой набор физических ячеек, таких как ПЗС-матрица, которые чувствительны к фотонам. Это физические устройства, которые измеряют свет, поступающий на датчик, и выдают число, представляющее пиксел цифрового изображения. Их также называют ямами, поскольку они ведут себя аналогично контейнеру, собирающему фотоны. Фотоны ведут себя как физические частицы, а контейнеры, которые их собирают в датчике, имеют два важных свойства. Первое - это способность улавливать фотон. Оно называется квантовой эффективностью. Если в ячейку падают 100 фотонов, и 40 из них собираются, матрица имеет квантовую эффективность равную 40 процентам. Второе важное свойство - это глубина ямы или емкость контейнера. Контейнер может иметь емкость 60 000 фотонов. Если более 60 000 фотонов попадают в контейнер, остальные "переливаются". Иногда они переливаются и теряются; иногда они перетекают в соседние контейнеры и вызывают состояние, называемое вспышкой. Вспышка приводит к тому, что соседние пикселы становятся чрезмерно яркими; однако в большинстве современных фокальных плоскостей есть механизмы для смягчения этого эффекта. Поскольку солнечный свет проникает внутрь непрерывно, количество фотонов, попадающих на физическую матрицу, контролируется с помощью устройства, называемого затвором. Это физическое устройство, открывающее объектив, чтобы собрать фотоны, или закрывающее, чтобы предотвращать их проникновение. Затвор может быть механическим или электрическим. В обоих вариантах, он позволяет ячейке собирать фотоны в короткий период времени, называемый временем интегрирования или временем экспозиции.
Свет как электромагнитная волна
Видимый свет воспринимается как имеющий цвет. Это свойство света, характеризующееся волновой природой света, электромагнитными волнами. Волны можно описать как имеющие периодичность или частоту, и у них есть длина волны. Разные цвета света имеют различную частоту и длину волны. Скорость света, частота и длина волны связаны математическим отношением, где c - скорость света, f - частота света, а ý - длина волны.
c = fýДля приложений дистанционного зондирования и ГИС длина волны света является определяющим аспектом его цвета. Например, свет с длиной волны 400-500 нанометров (нм) - это синий цвет, 500-600 нм - зеленый, а 600-700 нм - красный, что называется видимой частью электромагнитного спектра. Электромагнитный спектр обширен и колеблется от высокоэнергетических гамма-лучей до низкоэнергетических радиоволн. Дистанционное зондирование в основном использует видимую и микроволновую части спектра.
Датчики улавливают спектр света
Ячейки или физические пикселы датчика могут быть чувствительными к различным длинам волн света или различным цветам света. Это достигается путем некоторой фильтрации света до того, как он будет обнаружен светочувствительным физическим пикселом. Вся последовательность изображения от источника освещения до пиксела, считываемого с датчика, представляет собой встроенный в датчик фильтр для разделения света в соответствии с длиной волны для разделения цветов.
Изображение состоит из данных одного канала или нескольких каналов. Если это один канал, у него есть диапазон длин волн, который он получил. Если пиксел получил широкую часть видимого спектра, он называется панхроматическим. Если он имеет несколько каналов, обычно три или более, он называется мультиспектральным. Если он имеет много каналов, например, 100 или больше, он называется гиперспектральным. Ширина этих каналов меньше, чем панхроматического, и изолирует определенную часть спектра. Каждый канал представляет отдельную часть спектрального диапазона света, отраженного от цели.
В ArcGIS мультиспектральное изображение отображается при помощи способа RGB Composite, где каждый канал растра соответствует одному из трех цветовых каналов. Для изображений с большим числом каналов, любой из этих трех каналов может быть использован для показа изображения. Три цветовых канала - это красный, синий и зеленый. Можно подставить любой канал растра для каждого из цветовых каналов.
Обычное изображение в естественном цвете состоит из трех каналов, где синий канал показывается как синий цветовой канал, зеленый как зеленый, а красный как красный. Каждый пиксел содержит три значения, связанные с каждым из цветов, приводящие к составному цвету.
Пикселы представляют местоположение на поверхности Земли
Кроме своих спектральных характеристик, пиксел представляет местоположение на поверхности Земли. Следующий рисунок показывает отношение между физическим пикселом в датчике и эффективной площадью, которую представляет пиксел, на Земле. Это отношение является функцией геометрии датчика и его геометрических аспектов в тот момент, когда было получено изображение. Размер того, что пиксел представляет на поверхности, называется Средним размером пиксела по земной поверхности (GSD) В датчике границы между пикселами фиксированы и незаметны. Однако пиксел на земле не определен четко, потому что атмосфера и оптика размывают и рассеивают свет. Вместо этого пикселы имеют тенденцию перекрываться на поверхности Земли. Математическая функция, которая описывает, что получается в физическом пикселе датчика, - это функция разброса точек. Если функция разброса точек велика, итоговое изображение будет размытым. Если функция разброса точек мала, изображение будет хорошо определено с четкими гранями.
Хранение значений пиксела
Так как пикселы - это цифровые числа, хранящиеся в памяти компьютера, значения являются отдельными и дискретными. Когда фотоны принимаются, они создают электрический заряд, который представляет собой аналоговый сигнал или непрерывную величину. Когда пиксель считывается с чипа ПЗС-матрицы, он преобразуется в дискретное число с помощью аналого-цифрового преобразователя. При конвертации этих значений им обычно присваиваются значения от 8 до 14 бит информации. Ограничивающим фактором является качество электроники. Это означает, что изображение содержит от 256 до 16 384 значений. Как правило, современные датчики имеют 12-разрядные аналого-цифровые преобразователи, которые выдают 4096 возможных уровней серого.
Краткая информация
Физический пиксел на фокальной плоскости датчика собирает фотоны, которые становятся электрическим зарядом. Этот заряд конвертируется в число и размещается в матрице или растровом формате. Поскольку положение и высота датчика в точный момент экспозиции точно известны, точное местоположение пиксела на поверхности Земли также известно.
Для мультиспектральных и гиперспектральных изображений значения пиксела в каждом из каналов составляют спектральный профиль для местоположения на поверхности Земли. Каждый тип материала поверхности, попадающий в изображение, например, тип растительности, почвы или здания, имеет спектральный профиль, называемый также спектральной сигнатурой. Существует множество методов нормализации уровней серого в пикселах изображения для обеспечения согласованности и облегчения анализа объектов и материалов поверхности Земли на основе спектрального анализа.
Значение пиксела - это измерение воспринимаемого излучения, которое связано с определенным местоположением на земле. Дистанционное зондирование использует эту информацию для анализа объекта или явления в этом местоположении. Цифровое изображение - это не только красивая картинка, это радиометрические и фотограмметрические измерения. Возможность анализа пикселов позволяет проводить анализ с помощью дистанционного зондирования для получения важных типов географической информации.
Более подробную информацию смотрите в разделе: