CORREÇÕES GEOMÉTRICAS (Rectification)
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CORREÇÕES GEOMÉTRICAS (Rectification)
Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) CORREÇÕES GEOMÉTRICAS (Rectification) As correções geométricas incluem qualquer mudança na posição que ocupam os píxeis da imagem. Ao contrário das correções radiométricas nas correções geométricas “não se pretende modificar os ND dos píxels” e sim somente a sua posição (coordenadas). A expressão geral deste tipo de funções seria: f (c’) = f 1(c, l); f (x, y) f (l’) = f 2(c, l); f (x, y) Ou seja, as coordenadas coluna e linha (c’, l’) da imagem corrigida estão em função das coordenadas coluna e linha da imagem de entrada (c, l) ou das coordenadas no mapa que se pretende empregar (x, y). Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Quando Retificar uma imagem ⇒ Desenvolvimento da Bancos de Dados em SIGs para modelagem espacial. ⇒ Comparação com dados cartográficos. ⇒ Localização de pontos de interesse sobre a imagem e o mapa. ⇒ Localização dos tipos de ocupação para as áreas de treinamento prévias a classificação das imagens. ⇒ Obtenção de produtos cartográficos. Ortoimagens espaciais. ⇒ Comparação / fusão com imagens de outros sensores. ⇒ Comparação / sobreposição de imagens multi-temporais. ⇒ Formação de mosaicos. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Origem dos Erros Geométricos em Imágens Óticas Erros instrumentais (sensor) • Distorções no sistema ótico. • Falta de alinhamento do dispositivo para scannear. • Não uniformidade da velocidade do scanner (taxa de amostragem). (Pinilla, 1995) • Obliquidade devido ao tempo de obtenção dos dados Devido ao movimento do satélite desde que começa a scannear uma linha, os extremos desta NÃO são perpendiculares a direção de deslocamento da plataforma; deslocamse no terreno na direção do deslocamento do satélite. (Pinilla, 1995) • Distorção de aspecto. O sensor tarda menos tempo em obter uma linha completa que em situar-se na vertical do pixel seguinte, produzindo-se um recobrimento entre pixeis na direção do deslocamento da plataforma. ⇒ Certas partes da superfície observada contribuem com sua radiância na formação de mais de um pixel. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Origem dos Erros Geométricos em Imágens Óticas Inclinação da Imagem ⇒ Enquanto se obtém a imagem, o giro da terra provoca um deslocamento progressivo nas linhas de varredura. Podemos solucionar isso através das seguintes equações (Richards, 1993, pp.48-54): (Pinilla, 1995) Na primeira equação temos que o deslocamento da imagem em relação ao eixo x (Δx) é igual ao deslocamento devido ao movimento da terra (Δxe) multiplicado pelo cosseno do ângulo de inclinação da órbita (δ). Na equação dois temos que o deslocamento da Terra (Δxe) se deve a sua velocidade angular (ve) e ao tempo de aquisição da imagem (Ts). A velocidade angular (ve) pode calcular-se a partir da velocidade rotacional da terra (ωe=72,72 microradianos/s), do raio terrestre (re ≅ 6.378km) e da latitude da imagem (ϕ). Na última equação temos que o tempo de aquisição está em função da área coberta (L) e da velocidade angular do satélite (ωo). Resumindo, conhecendo a inclinação da órbita, a velocidade angular da plataforma e a área das imagens podemos posicioná-las em relação ao norte. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Origem dos Erros Geométricos em Imágens Óticas Distorção Panorâmica ⇒ Relacionada com o IFOV. Ao ser o IFOV constante, o tamanho do pixel fica maior nos extremos das linhas de obtenção dos dados, já que aumenta a distância entre o sensor e ponto observado. ⇒ Mais importante nos instrumentos com maior ângulo de visão. Podemos corrigir este problema através das equações: na direção y do píxel (altura), e na direção x do píxel (largura), sendo p o tamanho do píxel no nadir e γ o ângulo instantâneo de varredura (formado pela linha de observação e a vertical do sensor). (Pinilla, 1995) Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Origem dos Erros Geométricos em Imágens Óticas Efeito da Curvatura Terrestre ⇒ Enquanto que nas fotografias aéreas a terra pode ser considerada plana pela pequena área abarcada nos imagens que cobrem grandes superfícies a curvatura da terra não pode ser esquecida. ⇒ A curvatura terrestre produz efeitos de bordas e alterações no tamanho do pixel. Para corrigir este problema podemos utilizar a seguinte equação (Richards, 1993): onde, pc indica o tamanho do píxel corrigido do efeito da curvatura terrestre, β é o ângulo de visada instantâneo, h a altura do sensor, re o raio da terra, γ o campo de visada global da imagem e ϕ o ângulo formado pelo centro do píxel observado e o centro da terra. (Pinilla, 1995) (Pinilla, 1995) Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Origem dos Erros Geométricos em Imágens Óticas Instabilidade da Plataforma ⇒ Alterações da órbita da plataforma: Variação de velocidade. Variações em altitude. Variações em atitude: – Eixo X (ω) - “Pitch” – Eixo Y (φ) - “Roll” – Eixo Z (κ) - “Yaw” (Pinilla, 1995) (Pinilla, 1995) Velocidade Altitude Pitch Roll Yaw Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Conceitos importantes Correção Geométrica Paramétrica ou através de Parâmetros Orbitais Nominais: Através do conhecimento do modelo matemático da órbita descrita pelo satélite Correção Geométrica Não Paramétrica ou mediante Pontos de Apoio no Terreno (GCPs): Também conhecida como método baseado em procedimentos de amostragem está fundamentada em comparar as diferenças entre as posições de pontos registrados na imagem e seus homólogos em um mapa ou outra fonte de coordenadas. As Correções Geométricas Não Paramétricas podem ser: Georreferenciamento: É o processo de atribuir coordenadas a uma imagem utilizando-se de um mapa já existente ou pontos de apoio no terreno. Registro de Imagens: É um tipo de georreferenciamento em que utilizo outra imagem já georreferenciada para atribuir coordenadas a nova imagem. Ortorretificação: É o tipo de georreferenciamento em que utilizo um modelo numérico do terreno (MNT, MDT ou MDE) para atribuir coordenadas a nova imagem de forma ortogonal ao plano topográfico de referência. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica ⇒ Adequadas para sensores de baixa resolução espacial ou que trabalham sobre áreas que não possuem mapas adequados ou de difícil acesso (Mar, Zonas de deserto ou neve, Amazônia, etc.). ⇒ Toma por base o conhecimento do modelo matemático da órbita descrita pelo satélite, ou seja a localização da posição geográfica do satélite, de tal forma que se possam relacionar automaticamente as coordenadas da imagem com as coordenadas cartográficas de interesse. ⇒ Requer o conhecimento dos dados das efemérides da plataforma e características do sensor. Entre outras teremos que conhecer a altitude da plataforma, sua velocidade, o meridiano geográfico do sensor ao passar pelo Equador Terrestre, assim como a velocidade de obtenção dos dados de reflectância. ⇒ Os parâmetros a corrigir estão relacionados aos erros sistemáticos de aquisição: Æ Erros Instrumentais. Æ Inclinação da Imagem. Æ Distorção Panorâmica. Æ Efeito da Curvatura Terrestre. Æ Instabilidade da Plataforma. ⇒ Proporciona menor precisão que a Correção Não Paramétrica. ⇒ Nem sempre temos os parâmetros nominais da órbita do sensor. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica ⇒ As correções são obtidas utilizando-se as transformações matriciais que se seguem (utilizaremos como exemplo a Plataforma Landsat): 1ª Transformação - Troca de escala No Landsat MSS as linhas de varredura são nominalmente constituídas por pixels de 79m por 56m de espaçamento entre linhas. Como o IFOV é de 79m, há então uma sobre amostragem transversal a linha de varredura. Isso determina que os pixels possuam tamanhos distintos em X e Y, o que permite estabelecer uma razão de aspecto x : y (56 : 79) ou 1: 1,41. Dessa forma a primeira matriz de transformação é: Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica 2ª Transformação - Correção da inclinação As imagens são inclinadas segundo o eixo NORTE-SUL com relação ao eixo da terra. Para os satélites Landsat 1, 2 e 3, a inclinação do plano orbital era de 99,09º e para os satélites 4 e 5 a inclinação é de 98,20º. Na linha do Equador, então, o traço orbital está inclinado em +9,09º e +8,20º, respectivamente. O ângulo de inclinação θ na latitude λ é tomado por: Onde: θE = ângulo no satélite considerado na linha do equador. cos-1 = secante do arco. As linhas de varredura são corrigidas rotacionando-as no sentido anti-horário na direção leste-oeste com a transformação dada pela matriz M2: O valo de λ para a determinação de θ, é a latitude central da imagem a ser corrigida. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica 3ª Transformação - Correção da rotação da terra A velocidade superficial do satélite é: Onde: Ve = velocidade da terra na latitude λ. R = raio da terra (sendo ≅ 6.378.137m para o raio equatorial e ≅ 6.356.752,3m para o raio polar). ωE = velocidade angular da terra. Como a terra gira 2π radianos em 24horas, sua velocidade Ve é 2π rd/86400s ou seja 7,27221x10-5 rd/s. Os Landsats 1, 2 e 3 orbitaram em torno da terra com uma velocidade de 103,267min (6.196s) o que equivale a uma ωt igual a 2π rd/ 6.196s ou seja 1,014071x10-3 rd/s. Então o tempo “t” ao longo do comprimento da imagem (185km) é: t = 185.000m / (6.378.137m x 1,014071x10-3s) t = 28,6s Durante esse tempo o deslocamento da terra é obtido por: 28,6s x Ve Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica 3ª Transformação - Correção da rotação da terra Exemplo: A latitude de Londres é 51ºN, o valor de Ve é: Ve = 6.378.137 x cos(51º) x 7,27221x10-5 = 291,81m/s A distância movida por um ponto no tempo 28,6s é obtida por: 28,6s x 291,81m/s = 8.345m ou seja 4,5% do tamanho da imagem Devido a esse efeito e da ação da rotação da terra, cria-se um ângulo para as linhas de varredura, isso porque, o satélite não possui órbita perfeitamente polar. Então deslocamento acima da linha de varredura é menor que 8.345m na latitude de 51ºN. Dessa forma o deslocamento perfeito é obtido por: 8.345m x cos(θ) Onde θ é definido como o ângulo de inclinação. Na latitude de 51ºN o valor de θ para os satélites Landsat 1,2 e 3 é de 8.077m. Então o deslocamento real do ponto é de 8.077m. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica Paramétrica 3ª Transformação - Correção da rotação da terra A matriz para corrigir o efeito de rotação da terra é: O termo Ask é determinado por: Para a latitude de 51º, a M3 é igual a: ⇒ As três matrizes de transformação M1, M2 e M3 são aplicados simultaneamente, através da matriz M multiplicada pela coordenada (coluna, linha) da imagem original. M = M1 . M2 . M3 O sistema de coordenadas da imagem corrigida é relacionado ao sistema coluna, linha. X’ = M . X Onde X’(x1’, x2’) é o vetor do coluna, linha corrigidos e X(x1, x2) é o vetor coluna linha da imagem original. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correções Geométricas Não Paramétrica CARTA OU MAPA IMAGEM SEM CORREÇÃO GEORREFERENCIAMENTO Imagem - Mapa MDT/MDE REGISTRO Imagem – Imagem OUTRA IMAGEM CORRIGIDA ORTORRETIFICAÇÃO Imagem – MDT/MDE REGISTRO HÍBRIDO Imagem - Mapa Imagem - Imagem (Jensen, 1996) IMAGEM CORRIGIDA Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Operações Básicas 1 4 Eleição de pontos homólogos 3 2 5 Imagem original sem georreferenciar Interpolação espacial Relação de coordenadas f,c ⇒ X, Y Interpolação de intensidade Designação de ND 1 4 3 2 5 Mapa - Referência Imagem Georreferenciada Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Esquema Imagem Original PONTOS DE APOIO (G.C.P.i) - DIGITALIZAÇÃO NA TELA. Referência PONTOS DE APOIO (G.C.P.r) MATRIZ DE TRANSFORMAÇÃO (COEFICIENTES) - TECLADO - Mapa - ARQUIVO - GPS - DIGITALIZAÇÃO - Mapa - Imagem PRECISÃO (RMS) EDIÇÃO DE G.C.P. (RMS) RMS< Tolerância SIM RE-DESIGNAÇÃO DE NÍVEIS DIGITAIS (RESAMPLING) NÃO Imagem Corrigida SISTEMA DE PROJEÇÃO - VIZINHO MAIS PRÓXIMO - INTERPOLAÇÃO BILINEAR - CONVOLUÇÃO CÚBICA Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação Espacial (Características dos GCPs) Número de Pontos: Distribuição dos Pontos: • • • • Mínimo necessário pelo grau (t) do polinômio de transformação. N º GCP = • • • (t + 1)(t + 2) 2 ORDEN DE LA TRANSFORMACIÓN (t) NÚMERO MÍNIMO DE PUNTOS DE APOYO (G.C.P.) 1 3 2 6 3 10 4 15 5 21 Sobre-abundantes para edição do RMS. Landsat (180x180km) ≈ 100 GCP Cena de 800x600 pixeis ≈ 15 GCP Por toda a imagem e bordas. Em zonas de diferente altitude. Formando “X”. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação Espacial (Polinômios) OBJETIVO: • Determinar a função de transformação que permite estimar as coordenadas (x´,y´) que deveria ter cada ponto da imagem original (x0,y0) a partir das coordenadas correspondentes na referência (x,y). • Funções polinomiais de diferente ordem. n n− p x´= ∑ ∑ a pq x p y q p =0 q = 0 n n− p y´= ∑ ∑ b pq x p y q p =0 q = 0 IMAGEM ORIGINAL • • • IMAGEM GEORREFERENCIADA Ajuste por Mínimos Quadrados para modelar as correções diretamente no domínio da imagem, sem informação explícita da fonte de distorção. A ordem do polinômio será maior quanto maior seja a distorção da imagem, o número de GCPs usados e o grau de deslocamento do relevo topográfico. Normalmente é suficiente uma transformação polinomial de primeira ou segunda ordem. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação Espacial (Polinômios) Transformação polinomial de 1ª ordem x´= a0 + a1 x + a 2 y y´= b0 + b1 x + b2 y Mudanças produzidas por transformações lineares ⇒ Modela 6 tipos de distorção nos dados da imagem: Translação em X Translação em Y Mudança de escala em X Mudança de escala em Y Obliqüidade Rotação (ERDAS Field Guide,1997) Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação Espacial (Polinômios) Transformação polinomial de 2ª ordem x´= a0 + a1 x + a 2 y + a3 xy + a 4 x 2 + a5 y 2 y´= b0 + b1 x + b2 y + b3 xy + b4 x 2 + b5 y 2 • Uma equação de transformação de maior ordem implica, em geral, um menor RMS. • Esta diminuição do RMS não está necessariamente associado a um melhor geo-referenciamento, já que se podem produzir grandes deformações na imagem. Mudanças produzidas por transformações não lineares Imagen original Algumas saídas possíveis. (ERDAS Field Guide,1997) Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Qualidade da Transformação (EMQ ou RMS) • Antes de aplicar a transformação a todos os pontos, deve-se comprovar a qualidade da transformação. • Teoricamente, as coordenadas originais de um ponto (x0,y0) e as estimadas mediante a transformação polinomial (x´,y´) deveriam ser iguais. • As diferenças observadas se devem a distorções geométricas não corrigidas pelos coeficientes das equações de transformação. • O grau de ajuste entre as coordenadas imagem originais (x0,y0) e as estimadas (x´, y´) , para um GCP “i”, se determina mediante o Erro Médio Quadrático (EMQ) ou Root Mean Squared Error (RMSError), a partir do cálculo dos resíduos Ri: RX i = (x´i − x0i ) RMSi = RY i = (y´i − y0i ) (xi ´− x0i )2 + (yi ´− y0i )2 = RX i2 + RY i2 Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Qualidade da Transformação (EMQ ou RMS) • Representa a medida da precisão de cada GCP. • Todos os erros se expressam em pixeis. • Permite identificar os GCP pior digitalizados, na imagem ou na referência. RX RY (x0,y0) (x´, y´) Erro Total em X e em Y: 1 n ∑ RX i2 RMS X = n i =1 RMS Total: Contribuição de cada GCP no RMS Total: 1 n 2 RMS Y = ∑ RYi n i =1 RMST = RMS 2X + RMS Y2 RMS i = E i RMS T Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Qualidade da Transformação (Tolerância) • Na maioria dos casos é melhor aceitar um erro de certa magnitude, que aplicar uma transformação mais complexa. • O máximo erro permitido se expressa mediante a Tolerância, fixada pelo usuário nas condições iniciais do trabalho. • A Tolerância se pode representar por uma janela centrada nas coordenadas originais, dentro da qual se consideram corretas as coordenadas estimadas. Pixel original Tolerância RMS 2 pixeis (raio) Zona em que se consideram corretas as coordenadas estimadas Se RMST > Tolerância: • Edição de GCPs com maior RMSi: 9Comprovar a posição na imagem. 9Comprovar a posição na referência. 9Comprovar as coordenadas da referência. • Recalcular coeficientes. • Eliminar GCP “anômalos”. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação de Intensidade (Resampling) Re-amostragem ou Re-designação de ND (Resampling) • Tendo em conta os conceitos de RMS e Tolerância, as coordenadas estimadas (x´,y´) para cada pixel original (x0,y0), não costumam coincidir, por isso tampouco se pode designar o ND do pixel original. ? (Jensen, 1996) As coordenadas estimadas não costumam ser inteiras, por isso é necessário utilizar um sistema de interpolação para obter o valor de brilho que se designe a nova posição na imagem corrigida. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) GCPs – Interpolação de Intensidade (Resampling) Vizinho Mais Próximo (Nearest Neighbor) Se designa como ND da posição (x,y) ao ND do pixel original (x0,y0), mais próximo a posição estimada (x´,y´). VIZINHO MAIS PRÓXIMO Efeito degrau Interpolação Bilinear (Bilinear Interpolation) Se designa como ND da posição (x,y) a média ponderada dos ND dos 4 pixeis originais (x0,y0), mais próximos a posição estimada (x´,y´). INTERPOLAÇÃO BILINEAR Convolução Cúbica (Cubic Convolution) Se designa como ND da posição (x,y) a média ponderada dos ND dos 16 pixeis originais (x0,y0), mais próximos a posição estimada (x´,y´). CONVOLUÇÃO CÚBICA Alteração ND Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Correção Geométrica com MDEs ⇒ Os Modelos Digitais de Elevação são recomendados para zonas de relevo muito acidentado ou em imagens aéreas em que as deformações geométricas estão estreitamente relacionadas com o modelado do terreno. ⇒ A introdução dos MDEs na correção geométrica implica na realização de um retificação diferencial (ortorretificação), onde cada ND se transfira separadamente da imagem original a imagem corrigida com o objetivo de corrigir a posição do píxel em função do deslocamento devido ao relevo (Palà e Pons, 1995). ⇒ Cada coordenada X, Y, Z do MDE se transforma na imagem mediante equações de colinealidade (Fotogrametria). ⇒ Para simplificar a correção podemos introduzir a componente vertical nos polinômios de interpolação vistos anteriormente. ⇒ A inclusão dos dados altimétricos é muito importante quando as imagens não se adquirem verticalmente e quando os erros devidos ao relevo são notáveis. Colégio Politécnico da UFSM – DPADP0024 : Processamento Digital de Imagens (Prof. Dr. Elódio Sebem) Quando fazer as Correções Geométricas ⇒ Tradicionalmente o georreferenciamento foi considerado o primeiro passo no tratamento de imagens. No entanto devemos observar os objetivos do trabalho que estamos realizando. ⇒ O georreferenciamento implica uma perda dos ND originais. ⇒ Uma imagem não georreferenciada é espectralmente mais correta que uma imagem georreferenciada. ⇒ Prioridade no componente geométrico: Æ 1º Georreferenciamento, 2º Classificação. Æ Mais facilidade na identificação dos GCPs. Æ Re-designação de ND mediante Convolução Cúbica. Æ Melhora a localização das áreas de treinamento. ⇒ Prioridade no componente temático: Æ 1º Classificação, 2º Georreferenciamento. Æ A classificação terá como base nos ND originais. Æ A imagem classificada contem uma só banda. Æ Maior dificuldade na identificação de GCPs. Æ Re-designação de ND mediante Vizinho Mais Próximo.
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