Закономерности генерализации аэрокосмического изображения

Структура и рисунок аэрокосмического изображения

Любое аэрокосмическое изображение, независимо от того, с использованием каких технических средств и в каком спектральном диапазоне оно получено, представляет собой сочетание точек, линий и участков различных размеров и фототонов, то есть рисунок. При фотографировании местности эти детали и элементы снимка отобразят яркостные различия объектов местности в световом диапазоне. При теплолокации на снимках отобразятся температурные различия и др. Таким образом, проявленные фотослои будут иметь одинаковый облик (фотографическое изображение), но точки, линии и участки, составляющие это изображения, будут отображать различный характер и интенсивность солнечной радиации объектов местности.

Рисунок изображения передаёт морфологию природных комплексов, сущность которой состоит в повторяемости, связном сочетании комплексов всех рангов, компонентов и отдельных объектов на территории ландшафтной единицы. Все природные комплексы отличаются друг от друга совокупностью внешних признаков – рисунком изображения. Каждому комплексу свойственен свой набор и сочетание элементов. Однако, помимо индивидуальных черт, ландшафт сохраняет и общие признаки, позволяющие производить отождествление, сравнение, типизацию и эталонирования (ср. индивидуальный и типологический подход в ландшафтоведении).

Рисунок изображения соответствует структуре морфологических частей ландшафта или более крупной географической единице, в зависимости от масштаба изображения. Например, на глобальных космических снимках макроструктура изображения соответствует климатическим поясам или же природным зонам. На крупномасштабных снимках для пойменных ландшафтов структура будет соответствовать изображению отдельных типов пойм.

В рисунке изображения отражаются внутренние связи между компонентами ландшафта и процессы, происходящие в данном природном комплексе, а также пространственное размещение элементов, то есть рисунок передаёт структуру ландшафтных единиц. Структура изображения связана с одной стороны, с генезисом системы, с другой – с её функционированием. Структура выделяется тональная, или цветовая, и геометрическая (контурная). Сочетание тонов или цветов собственно и образует изображение. Смена одних тонов и цветов другими происходит вместе с чередованием объектов с различной яркостью. Контурность всегда сопутствует тональной структуре, но тональная структура может быть практически бесконтурной, если одни тона или цветовые оттенки плавно переходят в другие, не образуя четких границ. Например, изображение на космических снимках пустынных территорий с однородным почвенно-растительным покровом.

Каждый рисунок содержит множество мелких деталей, точная фиксация и учёт которых невозможно и нецелесообразно. Целесообразно свести сложный рисунок к более простому, который может быть характеризован сравнительно небольшим числом параметров. Описывая рисунок изображения чаще всего стремятся подобрать к реальному изображению математически строго определённый аналог. Это позволяет обойтись конечным числом типичных орнаментов, рисунков, точно их описать и тем самым подойти к решению задачи распознавания образом по эталонам. Система геометрических параметров может служить основой для объективизации и автоматизации распознавания образов по эталонам. Насколько детальной для этого должна быть система параметров и насколько избранная геометрическая модель должна быть похожей на оригинал, зависит от целей исследования. (Так, изображение фруктового сада на аэроснимках можно описать как ряды кружков, но можно подобрать для изображения крон деревьев более близкую геометрическую фигуру).

За исходные геометрические элементы изображения удобно принимать точки и линии, а также производные от них полосы и пятна различной величины и формы. На основе их сочетания построена морфологическая классификация рисунков аэрокосмических изображений (таблица).

Морфологическая классификация рисунков аэрокосмических изображений

Закономерности генерализации аэрокосмического изображения

Всякий воздушный и космический снимок является генерализированным изображением. Уровень генерализации изображений на воздушных и космических снимков зависит от ряда факторов (масштаба снимков, их линейного и яркостного разрешения, типа фотослоя и т. д.). Переход к более мелкому масштабу и ухудшение линейной разрешающей способности или частотно контрастной характеристики приводит к тому, что со снимков исчезают изображения мелких объектов местности и остаются изображения более крупных, обобщаются изображения границ участков и контуров с мелкими извилинами.

Картографическая и фотографическая генерализация имеют существенные отличия. Во-первых, первая выполняется вручную, а вторая осуществляется оптико-механически. Во-вторых, при картографической генерализации чаще всего сначала определяется уровень содержательного обобщения, а затем, как следствие, создаётся уровень формального обобщения (то есть в этом случае присутствует заданность результата, действует принцип «как надо»). При фотографическом же обобщении ведущими являются формальные изменения контурной и тоновой (цветовой) структуры изображения, зависящие в первую очередь от масштаба съёмки, разрешения съёмочной системы, природных особенностей местности (в этом случает нет заданности, присутствует произвольность, действует принцип «как получится»). Содержательная генерализация в этом случае следует за формальной. В результате такой генерализации изображение многих черт земной поверхности на снимках освобождается от частностей, в то же время разрозненные детали объединяются в единое целое, поэтому более четко изображаются объекты высших таксонометрических уровней, крупные региональные и глобальные структуры, глобальные и планетарные закономерности.

Влияние генерализации изображения на дешифрируемость космических снимков двойственное; оно может быть и положительным и отрицательным. С одной стороны, сильно обобщенное изображение уменьшает возможность высокоточного и детального картографирования по космическим снимкам, в частности влечет ошибки дешифрирования. Недаром стремятся к использованию снимков высокого разрешения, а для оценки полноты и достоверности дешифрирования космических снимков прибегают к проверке по аэроснимкам. С другой стороны, обобщенность изображения космического снимка относится к его достоинствам.

Во-первых, это свойство позволяет использовать космические снимки для непосредственного составления тематических карт в средних и мелких масштабах без трудоемкого детального многоступенчатого перехода от крупных масштабов карт к мелким, что обеспечивает экономию времени и средств. Во-вторых, оно дает преимущества смыслового, содержательного плана. Оказалось, что на космических снимках выявляются важные объекты, скрытые на снимках более крупных масштабов.

Уровень генерализации оценивается по обобщению либо форм, либо содержания, и может быть описан количественно и качественно. Основные закономерности фотографической генерализации заключаются в последовательности, прогрессивности, избирательности, дискретности и иерархичности обобщения.

Последовательность обобщения заключается в том, что оно происходит по правилам отсечения и объединения деталей в более общие части изображения в порядке их крупности.

Прогрессивность – неравномерное уменьшение или увеличение контуров при изменении масштаба снимков. Объекты малых размеров реагируют на колебания масштаба слабее, чем крупные. Поэтому, например, визуально обнаружить разномасштабность разных частей изображения затруднительно, если рисунок фотоизображения образован «мелкими» элементами.

Избирательность – выборочное обобщение элементов изображения в зависимости от формы, оптического контраста и других факторов (она пока не поддаётся строгому теоретическому описанию). Например известно, что линейные и контрастные объекты и контуры правильной геометрической формы в отличие от точечных, малоконтрастных и нерегулярных форм достаточно устойчиво сохраняются на снимках разных масштабов. Поэтому на космических снимках порой неразличимы целые города, но вполне отчётливо передаются соединяющие их дороги и др.

Дискретность – попеременное действие в механизме фотографический генерализации двух процессов: уменьшение элементов рисунка изображения и обобщение. С изменение масштаба ведущая роль принадлежит то уменьшению объектов изображения, то обобщению, в результате накопления количественных изменений возникают качественные скачки.

Иерархичность обобщения связана со структурой и текстурой изображения на снимках, а последние, в свою очередь, отображают строение природных систем. Рисунок на снимке всегда сложен и содержит целую иерархию структур и текстур. Внутри выделенного объекты можно обнаружить микроструктуру, в то же время сам он может являться элементом, подструктурой более сложного объекта. Рисунок изображения напоминает набор матрёшек, которые вложены одна в другую, но каждая из них имеет свой рисунок, свои индивидуальные черты. Поэтому при переходе от крупных масштабов к мелким, от аэроснимков к космическим снимкам происходит не непрерывная потеря деталей и обеднение изображения, а перестройка его рисунка, смена одних структур и текстур другими. Поэтому мелкомасштабные космические снимки оказываются столь же полезными, как и аэроснимки, на содержание их иное, и задачи по ним решаются другие, другой масштабности, то есть другого уровня обобщения.

Иерархичность изображения заключается также в том, что каждому объекту, элементарному или сложному, соответствует в шкале масштабов своя область оптимальных значений. С изменением масштаба съёмки происходит перестройка изображения, при этом обнаруживаются рубежи, в которых происходит существенная смена рисунка: исчезают одни объекты и появляются другие, более высокой или низкой степени сложности. Ведущая роль в формировании рисунка переходит сначала к растительности, затем к рельефу, затем к элементам гидрографической сети. Вместе с тем происходит и смена основных индикаторов, используемых при косвенном дешифрировании. Влияние масштаба снимка на уровень географической генерализации показано в таблице:

Кроме масштаба на конкретное проявление обобщения и генерализации каждого конкретного изображения зависит от разрешения съёмочной системы, зоны спектра, территории и времени съёмки и многих других факторов.

С изменением масштаба снимка каждый из элементов рисунка – форма, размер, тон, цвет – изменяются по определённым законам, вызывая тем самым, изменение всего изображения, а следовательно, тех внешних характеристик объектов, которые находят отображение на снимках.

С уменьшением масштаба происходит обобщение тонов и цветов. Полутона на чёрно белых фотографиях исчезают тем быстрее, чем мельче контуры и чем меньше костраст изображения. Объекты, включающие в себя элементы различных цветов и цветовых оттенков, сфотографированные с некоторого расстояния, изображаются в обобщённых или смешанных цветах. Отдельные мелкие объекты тем скорее теряются на цветном снимке, чем менее выражен цветовой контраст между объектом и фоном.

Обобщение контурных элементов, в первую очередь, природных границ имеет свои особенности. Природные границы могу быть:

а) резкими или линейными (урезы воды, бровки оврагов и др.)

б) размытыми или диффузными (плавные переходы от болот к суходолам и др.)

в) мозаичными или дисперсными (граница между лесов и лугом, верхняя граница лесного пояса в горах и т.п.).

Линейные контуры на снимках более мелкого масштаба выпрямляются и упрощаются из-за исчезновения мелких извилин. Размытые контуры с уменьшением масштаба становятся контрастными, более узкими и приближаются к линейным. Границы в виде полос, представляющие собой переходные комплексы между различными ландшафтными единицами, становятся контрастными, хорошо заметными и также приближаются к линейным контурам. Мозаичные границы либо укрупняются, сохраняя мозаичность, либо превращаются сначала в диффузные, а потом в линейные границы.

Для количественной оценки степени обобщения контуров существует несколько критериев. Поскольку изображение контура представляет собой извилистую линию с тем большим количеством извилин, чем меньше она обобщена, можно объективно оценивать степень обобщения контура, сравнивая извилистость на разных изображениях.

Коэффициент общей извилистности (по Н. М. Волкову) подсчитывается по формуле: K = L/D, где D — длина прямой линии между точками А и В; L — длина извилистой линии между этими точками.

При уменьшении масштаба снимка уменьшаются соотношения между протяженностью линейных объектов и площадями объектов на снимке и в натуре. Резкие линейные контуры при переходе к снимкам более мелкого масштаба изменяют длину крайне незначительно. Существенно укорачиваются длины контуров, проведённые по мозаичным границам (от 30 до 50 % длины) и коэффициент общей извилистости. Сравнение площадей естественных угодий показало, что они уменьшаются с изменением масштаба за счёт спрямления контурной линии. Особенно уменьшаются площади сильно изрезанных контуров, например, массивов кустарников среди лугов.

Общую тенденцию к убиванию площадей можно объяснить тем, что всякий ограниченный и невытянутый контур в пределе стремится обобщиться до пятна различной степени округлости и затем свестись в точку. Всякий вытянутый контур обобщается до полосы и затем стремится стать отрезком прямой.