UZAKTAN ALGILAMA Sayısal Görüntü ve Özellikleri GEOMATİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ FOTOGRAMETRİ ANABİLİM DALI SUNULARI JDF435 UZAKTAN ALGILAMA DERSİ NOTLARI http://jeodezi.karaelmas.edu.tr/linkler/akademik/marangoz http://geomatik.beun.edu.tr/marangoz/ /marangoz.htm http://jeodezi.karaelmas.edu.tr/fukal
İÇERİK Sayısal Görüntü Kavramı, Sayısal Görüntünün Özellikleri, Çözünürlük Kavramı Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Radyometrik Çözünürlük Spektral Çözünürlük Zamansal Çözünürlük Görüntünün Elde Edilmesi 2
Giriş Uzaktan Algılama görüntüleri sayısal formlarda kayıt edilir ve iş istasyonları tarafından görüntüye dönüştürülmek üzere işlenir. Bir uzaktan algılama sisteminde algılayıcı; enerjiyi (ışığı) algılar, ölçer ve miktarını bilgisayarın okuyabileceği bir sayıya çevirir. Yörüngedeki uzay aracı bu kodları sinyaller ile yeryüzündeki uydu yer istasyonuna gönderir. Veri Elde Etme Veri İşleme 3
Elektromanyetik Spektrum İnsan gözünün algılayabildiği dalga boyları, sadece görünür bölgedekilerdir. Uzaktan algılamada çoğunlukla kullanılan dalga boyları ise görünür ve kızılötesi (0,30 μm-15 μm) ışınımlar ile mikrodalga (5-500 mm) ışınımlarıdır. 4
Sayısal Görüntü Kavramı Bu sinyaller alınarak sayı dizilerine çevrilir, sıra ve sütunlar bir gri değerine denk gelen sayı ile ifade edilir ve bir dijital görüntü oluştururlar. Kısaca, sayılar küçük resim elemanlarına çevrilirler ve bir araya geldiklerinde görüntünün tamamını oluştururlar. Dijital görüntüyü oluşturan resim elemanlarına piksel adı verilir. Her piksele ait olan ve temsil edilen alandan gelen ortalama ışınımı veren değer DN ile gösterilir. DN değerleri farklı değerler arasında olabilir. 5
Sayısal Görüntü Kavramı - Piksel 6
Sayısal Görüntü Kavramı - Piksel http://photo.net/ 7
Sayısal Görüntünün Özellikleri Sayısal bir görüntü, elemanları uzaydaki x,y konumlarına karşılık gelen noktaların f(x,y) parlaklık değerlerini içeren bir matristir. Görüntü verisinin boyutu veri band (katman) sayısı ile saptanır. Kaynak: Sunar vd,2011 8
Sayısal Görüntünün Özellikleri Sayısal görüntü raster formatındadır. Bir raster; x ve y koordinatları ile tanımlı gridlerden oluşur. Bu gridlerin her birine piksel adı verilir. Her bir piksel sayısal bir değere karşılık gelir (Dijital Number, DN). Örneğin, 8 bitlik siyah-beyaz bir görüntüde, piksel dijital değerleri 0 ile 255 arasında gri renk tonundan oluşur. 0 siyah ve 255 beyaz renk tonuna karşılık gelir. http://csde.washington.edu 9
Sayısal Görüntünün Özellikleri Sayısal görüntüler aşağıda belirtilen dört farklı grupta toplanmaktadır: Binary görüntü: en basit görüntü çeşidi olup sadece 0 veya 1 olmak üzere 2 değer (siyah ve beyaz) alırlar. Gri renk seviyeli görüntü: monokrom veya tek renkli görüntülerdir. Renk bilgisi içermeyip sadece parlaklık bilgisi içerirler. Renkli görüntü: renk, cisimlerin farklı dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaları farklı şekilde yansıtma özellikleri (parlaklık değeri) ile ilişkilidir. Doğal renkli görüntü, elektromanyetik spektrumun kırmızı, yeşil ve mavi bölgelerinden alınmış dijital görüntülerin bilgisayar ekranında RGB bandlarında görüntülenmesi ile elde edilir. Çok spektrumlu görüntü: görünür spektrumun dışındaki bölgelerden alınan ve yanlış renkli görüntü olarak da adlandırılan görüntülerdir. Örneğin morötesi, kızıl ötesi dalga boylar gibi. Bu tür verilerin kaynağı uydu sistemleri, su altı algılama sistemleri, farklı tipteki uçak radarları, kızıl ötesi görüntüleme sistemleri ve tıbbi tanı görüntüleme sistemleridir. 10
Sayısal Görüntünün Özellikleri Kaynak: Sunar vd,2011 11
Sayısal Görüntünün Özellikleri Siyah beyaz ve renkli (kırmızı, yeşil, mavi) görüntü matrisi (Yastıklı, 2009) 12
Sayısal Görüntünün Özellikleri Histogram: Görüntüdeki her bir parlaklık değerini içeren toplam piksel sayısı ile görüntü piksellerinin istatistiksel dağılımı gösterilmektedir. Sıklıkla histogram, her bir parlaklık seviyesindeki (DN) piksel sayısının görüntüdeki toplam piksel sayısına oranı olan bağıl frekans ile de belirlenmektedir. Frekans gösteriminde, düşey eksen belirli bir gri renk tonu seviyesi için toplam piksel sayısını, yatay eksen ise olası bütün parlaklık değerlerini küçükten büyüğe doğru (görüntünün dinamik aralığı) göstermektedir. Diğer bir ifade ile histogramın sol tarafı koyu renk tonuna, orta bölgeler orta gri renk tonuna ve sağ tarafı ise açık renk tonuna sahip pikselleri göstermektedir. Kaynak: Sunar vd,2011 13
Çözünürlük Kavramı Uzaktan algılamada, uydu görüntüleri için 4 farklı çözünürlük tanımlanmaktadır: Konumsal (Uzaysal-Geometrik) Çözünürlük Radyometrik Çözünürlük Spektral Çözünürlük Zamansal Çözünürlük 14
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Bir görüntüde fark edilebilir en küçük detay, algılayıcının konumsal çözünürlüğü ile ilgilidir ve görülebilen en küçük hedef boyutunu tanımlar. GSD: Ground Sampling Distance YÖA: Yer Örnekleme Aralığı: Komşu piksellerin merkezlerinin yeryüzündeki fiziksel karşılıklarıdır. Genellikle cm. ve/veya m. cinsinden ifade edilir. 15
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Aynı bölgenin farklı uzaysal çözünürlüklerde örneklenmesi 16
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Ticari uydular yarım metreden kilometrelere varan çözünürlükler sağlamaktadırlar. Sadece çok büyük nesnelerin görülebildiği görüntülerin çözünürlüğü düşük, küçük nesnelerin ayırt edilebildiği görüntüler ise yüksek çözünürlüklüdür. Farklı konumsal çözünürlüğe sahip uydu görüntüleri (Eminönü, İstanbul) 17
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Konumsal çözünürlük açısından uydu görüntüleme sistemleri: Düşük konumsal çözünürlüklü sistemler (30 - >1 km) Orta konumsal çözünürlüklü sistemler (4 m - 30 m) Yüksek konumsal çözünürlüklü sistemler (0.5 m - 4 m Kaynak: Sunar vd,2011 18
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük 19
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Pan-Sharp İşlemi QuickBird multispektral görüntüsü, 2.4m YÖA QuickBird pankromatik görüntüsü, 0.60m YÖA 20
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Pan-Sharp İşlemi 2.4m YÖA 0.6m YÖA Pan-sharp QuickBird görüntüsü, 0.6m YÖA 21
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük 15m GSD ile genel bir bakış Harita yapımı olanakları 10m GSD ile başlar 5m GSD ile ana yollar ve büyük binalar 2m GSD ile tekli binalar 1m ve altı GSD ile ayrıntılı olarak binalar tanınabilir 22
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük (173x183)km (60x60)km (16.5x16.5)km (11x11)km (8x8)km 23
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük (Karakış vd., 2005) 24
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük 25
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük 1m YÖA, IKONOS 30m YÖA, Landsat 5 26
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Normal ve Etkin YÖA TK 350 ve KVR 1000 görüntüleri ilk olarak fotoğraf filmi üzerine kayıt edilmiş ve taranmak suretiyle sayısal hale getirilmişlerdir. Bu sebeple, bu iki görüntünün normal ve etkin YÖA değerleri arasında belirli bir fark oluşmuştur. Fakat IRS-1C için bu durum farklıdır, bunun nedeni ise bu görüntülerin, 6 bit (64 gri değeri) ile örneklenmesi sonucu düşük radyometrik çözebilirliğe sahip olmalarıdır. Ayrıca burada etkin YÖA değeri atmosferik durumundan da etkilenmiş olabilmektedir. Görüntüleme Sistemi Normal YÖA Etkin YÖA E/N % ASTER VNIR 15.0 m 15.0 m %0 TK 350 10.0 m 13.0 m %30 IRS-1C pan (6 bit) 5.8 m 6.9 m %19 SPOT 5 pan 5.0 m 5.0 m %0 (KVR 1000) 1.6 m 2.2 m %40 IKONOS pan 1.0 m 1.0 m %0 QuickBird pan 0.6 m 0.6 m %0 27
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Algılayıcı platform yüksekliği de konumsal çözünürlüğe etki etmektedir. Örneğin uçakbazlı sistemler uzaktan algılama (yer gözleme) amaçlı kullanılan uydu-bazlı sistemlerine nazaran çok daha düşük platform yüksekliğine sahip olduklarından konumsal çözünürlükleri daha fazladır, diğer bir deyişle görüntüde ayırt edilebilir detay seviyesi daha yüksektir. Günümüzde gelişen uydu teknolojisine paralel olarak yüksek konumsal çözünürlüklü uydu sistemleri de mevcuttur, ancak dijital hava fotoğraflarının konumsal çözünürlüğü ile karşılaştırıldıklarında uydu-bazlı sistemlerin çözünürlükleri halen çok daha düşük kalmaktadır. Kaynak: Sunar vd,2011 28
Konumsal (Uzaysal) Çözünürlük Yüksek ve düşük konumsal çözünürlüğe sahip sayısal görüntülerdeki temel avantaj ve dezavantajlar: Kaynak: Sunar vd,2011 29
Radyometrik Çözünürlük 30
Radyometrik Çözünürlük Aynı bölgeye ait değişik renk tonlarına sahip görüntüler karşılaştırıldığında, radyometrik çözünürlükle ilişkili olarak detay ayırt etme seviyesindeki fark göze çarpmaktadır. 31
Radyometrik Çözünürlük Dijital uydu görüntüsünde piksel değerleri (gri renk tonu), parlaklığın belirli sınırlar arasında kaydedilmiş ölçüsü olup, 0 ile değeri arasında tanımlanır. Kaynak: Sunar vd,2011 32
Radyometrik Çözünürlük 2 renk tonu 16 renk tonu 33
Radyometrik Çözünürlük 34
Radyometrik Çözünürlük Radyometrik çözünürlük bir görüntü dosyasının boyutunu (depolama alanını) da hesaplamada kullanılır. Örneğin 100 x 100 pikselden oluşan 8bit lik bir görüntünün kapladığı alan; Kaynak: Sunar vd,2011 35
Spektral Çözünürlük Spektral çözünürlük algılayıcının duyarlı olduğu dalga boyu aralıkları ile ilgilidir. Spektral çözünürlüğün iyi olması bir kanal ya da bandın algıladığı dalga boyu aralığının küçük olduğunu gösterir. Kuramsal olarak, spektrum ne kadar çok ve küçük parçaya ayrılırsa, spektral ayırma gücü o kadar artar. Çok gelişmiş çoklu-spektral algılayıcılara hiperspektral algılayıcılar denilmektedir. Bu algılayıcılar elektromanyetik spektrumun görünür, yakın kızılötesi ve ortakızılötesi bölgelerinde yüzlerce küçük spektral aralıkta algılama yapmaktadırlar. Grafikte, aynı spektral bölgede algılama yapan iki algılayıcıdan mavi ile gösterilen, daha küçük aralıklarda çalıştığı için yeşil ile gösterilenden daha yüksek spektral çözünürlüğe sahiptir. 36
Spektral Çözünürlük 37
Spektral Çözünürlük 38
Spektral Çözünürlük İyi bir görsel analiz için, spektral imzalardan yararlanılarak, proje amaçlarına göre çalışılacak bantlar belirlenir. Örneğin, Spot uydusunun elektromanyetik spektrumda algıladıkları bölgeler ve bant özellikleri aşağıdaki grafikte gösterilmektedir. 39
Spektral Çözünürlük Aşağıda, Kuş Gölü'ne (Balıkesir, Türkiye) ait 24.07.2003 tarihli Spot görüntüsünün spektral bantları verilmektedir. Bant 1 (0.50 to 0.59 mikrometre) Bant 2 (0.61 to 0.68 mikrometre) Bant 3 (0.78 to 0.89 mikrometre) Bant 4 (1.58 to 1.75 mikrometre) 40
Spektral Çözünürlük Kaynak: Esat, Mavi Gezegen 41
Spektral Çözünürlük Çeşitli uzaktan algılama sistemlerinin sahip oldukları spektral bandların karşılaştırılması. Kaynak: Esat, Mavi Gezegen 42
Zamansal Çözünürlük Zamansal çözünürlük, bir uzaktan algılama sisteminin aynı bölgeyi görüntüleme sıklığı ile ilgilidir. Bir bölgedeki spektral karakteristikler zamanla değişebilir ve çokzamanlı görüntü setleri kullanılarak değişim analizi yapılabilir. İzmit'e ait depremden önce (1), deprem ve depreme bağlı yangın sonrası (2) Spot uydusundan alınan görüntüler 43
Spektral Çözünürlük Yakın kızıl ötesi bölgesi bitki yansıtımın en yüksek, kırmızı bölge ise en düşük olduğu bölgedir. Görüntüde İstanbul, Sazlıdere baraj gölü (her iki görüntüde de koyu renkte gözüken) ile kara arasındaki kontrast farkı oldukça yüksektir. Diğer yandan, sağdaki görüntüdeki açık beyaz ve açık gri renk tonuna sahip görülen tarım alanları ile bu alanların etrafında bulunan yerleşim ve boş alan gibi diğer arazi kullanımı sınıfları arasındaki kontrast farkı kırmızı bölgeye nazaran daha fazladır. Bu durum 4. bandın bitki örtüsü yansıtımına olan yüksek duyarlılığından kaynaklanmaktadır. Kaynak: Sunar vd,2011 44
Görüntünün Elde Edilmesi Renkler, üç ana rengin (kırmızı, yeşil, mavi) farklı oranlarda karıştırılması ile elde edilir. İnsan gözü sadece görünür bölgedeki dalga boylarını algılamaktadır. 45
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Optik görüntüler oluşturulurken, sırasıyla kırmızı yeşil ve mavi bantlara ait görüntüler bilgisayar ekranında görüntülendiğinde doğal renkli görüntü, diğer tüm bant kombinasyonlarının görüntülenmesi durumunda ise yapay renkli görüntü elde edilir. (1) Doğal renkli kompozit (TM bandları 3, 2 ve 1) (2) Yapay renkli kompozit (TM bandları 4, 3 ve 2) 46
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Kaynak: Esat, Mavi Gezegen 47
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Yapay görüntüler, özellikle insan gözünün duyarlı olmadığı bir spektral bölgedeki yansımaya ilişkin bilgi sağlayarak gözün algılamadığının görünür hale getirildiği görüntüler olup bazı uygulama alanları için büyük öneme sahiptirler. 48
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler RGB (3,2,1) Doğal Renkli Siyah Beyaz Doğal Renkli Renkli Kızılötesi - Yapay Renkli (R = CIR yansıma), siyah / beyaz 49
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Landsat ETM+ görüntüsü; Solda 3,2,1 gerçek renk kombinasyonu ve sağda 7,4,2 yapay renk kombinasyonu. Kaynak: Esat, Mavi Gezegen 50
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Radar görüntüleri de siyah-beyaz görüntüler olup kırmızı mavi yeşil (RGB) kombinasyonunda çok-spektrumlu, çokzamanlı ve çokpolarizasyonlu görüntülerin kullanılması ile renkli görüntü elde edilebilir. (1) Bir tarım bölgesine ait radar görüntüsü (2) Aynı bölgenin YY (Yatay-Yatay), DD (Düşey-Düşey) ve YD (Yatay- Düşey) polarizasyonları ile oluşturulmuş renkli görüntüsü 51
Görüntünün Elde Edilmesi Doğal ve Yapay Renkli Görüntüler Aster Görüntüsü; Sağda görüntü kullanılarak yapılan mercan resifi sınıflandırması, Brezilya. Kaynak: Esat, Mavi Gezegen 52
GELECEK HAFTA: Algılama Sistemleri ve Özellikleri (Optik ve Optik Olmayan Sistemler) 53
KAYNAKLAR, Yrd. Doç. Dr. Aycan Murat MARANGOZ, Bülent Ecevit Üniversitesi Müh. Fak. Jeodezi ve Fot. Müh. Bölümü, Fotogrametri ABD Sunuları 2012 Uzaktan Algılama Ders Notu, Sunar F., Özkan C. ve Osmanoğlu B., T.C. Anadolu Üni. Yayını No: 2320, AÖF Yayını No: 1317, 2011 Fotogrametrinin Temelleri Ders Notu, Doç. Dr. Naci YASTIKLI, YTÜ İnşaat Fakültesi, Harita Müh. Bölümü, 2010, Doç. Dr.Hulusi KARGI, Pamukkale Üniversitesi, Jeoloji Müh. Bölümü Denizli Uydu Görüntüleri ve Jeolojideki Kullanımına Genel Bir Bakış, Korhan Esat, AÜ Müh. Fak. Jeoloji Müh. Bölümü, Ankara (Mavi Gezegen Dergisi). Uydu Görüntülerinden Kentsel Ayrıntıların Nesne-Tabanlı Sınıflandırma Yöntemiyle Belirlenmesi ve CBS Ortamında Bütünleştirilmesi,, Danışman: Prof. Dr. Zübeyde ALKIŞ, Doktora Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Jeodezi ve Fotogrametri Müh. ABD, Uzaktan Algılama ve CBS Programı, Ekim 2009 Dijital Görüntü ve Özellikleri Ders Notları, Doç. Dr. Semih EKERCİN, Aksaray Üniversitesi, Harita Müh. Bölümü, 2011, İTÜ İnşaat Fak. Geomatik Müh. Böl. Uzaktan Algılama ABD Sunuları. Uzaktan Algılama Kitabı, İşlem GIS, 2002 http://csde.washington.edu http://photo.net 54