Notiuni privind interpretarea imaginilor

1. Generalitati

Procesul de interpretare a imaginilor este o deprindere dezvoltata prin antrenament si profesionalism. Este o combinatie de arta si stiinta bazata pe intuitie utilizata pentru a putea diferentia si identifica o serie de caracteristici ale obiectelor si fenomenelor.

Interpretarea imaginilor se bazeaza pe acumularea de experienta si pe gradul de specializare al interpretului. Acesta foloseste procese deductive pentru a extragere informatiile continute in documentele imagine analizate.

Imaginile in format analogic sau digital sunt acceptate definitiv ca fiind o sursa obiectiva de informatii cu conditia ca fotointerpretul sa fi acumulat suficienta experienta pentru a elimina confuziile care apar datorita similaritatii raspunsurilor spectrale sau a texturilor. Din acest motiv am considerat necesar sa fie reamintite si cateva principii de baza ale fotointerpretarii imaginilor aeriene.

Trebuie amintit faptul ca 90% din informatiile pe care le avem despre lumea exterioara sunt receptionate prin simtul vazului iar mecanismul de acumulare a cunostintelor parcurge patru etape distincte:

receptare

perceptie

integrare

valorificare (prin intelect)

Datele provenite de la satelitii de observarea a Terrei au caracteristici generate atat de parametrii biologici si fizici cat si de influenta factorului antropic asupra peisajului care face obiectul studiului..

Tinand seama de elementele enumerate mai sus, pentru realizarea corecta a unui studiu, trebuie inteles modul de extragere a informatiilor prin analiza si interpretare.

2. Analiza si interpretarea

Procesul de prelucrare a informatiei imagine se desfasoara in doua etape: analiza, respectiv interpretare

Analiza este "separarea sau desfacerea oricarui intreg in partile sale componente". Din punct de vedere statistic analiza permite stratificarea peisajului pentru a permite disocierea unor elemente care nu pot fi discriminate si identificate prin utilizarea acelorasi combinatii de benzi spectrale.

Interpretarea are ca scop explicarea intelesului sau semnificatiei oricarei parti raportate la intreg si urmeaza, in mod logic, analizei.

In acest moment, la dispozitia fotointerpretilor sunt disponibile variate tipuri de documente imagine cu caracteristici spectrale diferite (vizibil, infrarosu, infrarosu termal, microunde) si care evidentiaza, fiecare in parte sau in combinatii adecvate, informatii distincte.

In practica exista doua categorii majore de informatii continute in toate inregistrarile imagine, informatii spatiale si informatii radiometrice.

2.1. Informatii spatiale

In practica fotointerpretarii, dispunerea si repartitia tonurilor ofera indicii spatiale si astfel este marcata prezenta si localizarea informatiei in imagine.

Atunci cand tonurile apar in combinatii variabile, intr-un spatiu bine delimitat, definesc forme, dimensiuni, modele si texturi caracteristice obiectelor si fenomenelor.

Chiar daca elementele de mai sus descriu lucruri foarte diferite, acestea au o legatura bine definita pentru ca sunt corelate din punct de vedere al spatializarii (de fapt sunt atribute spatiale ale obiectelor si fenomenelor). De aceea, pentru a identifica si extrage informatii, aceste caracteristici sunt folosite intotdeauna impreuna.

2.1.1.Interpretarea caracteristicilor spatiale

O livada este compusa din pomi, iar fiecare pom are o forma specifica. Dar livada este, in fapt, un grup de elemente (pomi) aranjate dupa o anumita logica.

In grupuri, pomii sunt aranjati dupa un anumit model si pot fi identificati datorita texturii specifice. Acest indiciu poate fi corelat si cu alte informatii referitoare la dimensiuni si forme asociate (alei de exploatare cu dimensiuni specifice, imprejmuiri.).

Aceste proprietati sunt specifice grupurilor carora li se poate aplica principiul similaritatii elementelor componente si trebuie luate in considerare mai ales in cazul inregistrarilor in vizibil.

2.2. Informatii radiometrice

Diferitele tonuri identificate pe o inregistrare corespund intensitatii luminii reflectate sau emise de obiectele de pe suprafata Pamantului. Cu cat obiectul apare mai luminos cu atat este mai mare cantitatea de radiatie reflectata/emisa de catre obiect.

Functie de caracteristicile senzorului, fiecare document imagine contine informatii detaliate care pot fi extrase la un nivel corespunzator de complexitate.

Trebuie amintit faptul ca informatia radiometrica trebuie sa fie extrasa tinand cont in mod obligatoriu de rezolutia geometrica a senzorului utilizat.

2.2.1. Interpretarea caracteristicilor radiometrice

In cazul canalelor in infrarosu sunt cuantificate diferentele de energie electromagnetica care permit identificarea diferentelor subtile de reflectie la vegetatie de tipuri diferite.

In infrarosu apropiat arborii sanatosi inverziti (la inceputul perioadei de vegetatie) din padurile de foioase reflecta o mai mare cantitate de energie decat coniferele, deci este posibila diferentierea (discriminarea) speciilor forestiere pe o singura imagine inregistrata la o data convenabila din punct de vedere al stadiului de vegetatie (adica primavara, incepand cu sfarsitul lui aprilie pana la mijlocul lunii mai).

Contrastul este, de asemenea evident pe imagini preluate catre sfarsitul perioadei de vegetatie a foioaselor (toamna in lunile octombrie-noiembrie) facilitand discriminarea foioase/conifere.

Indiferent de perioada de vegetatie, este posibila  diferentierea arboretelor sanatoase apartinand aceleiasi specii de cele afectate de maladii facilitand monitorizarea starii de vegetatie a plantelor

3. Recomandari privind interpretarea profesionala a imaginilor satelitare

Pentru interpretarea imaginilor satelitare este de presupus ca operatorul cunoaste in detaliu caracteristicile senzorilor utilizati si limitele geometrice si spectrale pana la care este permisa cartografierea corecta si eficienta.

Considerand conditia de mai sus indeplinita, este recomandat sa se efectueze o analiza a pretabilitatii fiecarei benzi spectrale pentru identificarea elementelor tematice ale peisajului care pot fi extrase cu obiectivitate si certitudine. In tabelul urmator este prezentata pretabilitatea utilizarii separate a fiecarei benzi spectrale a satelitilor LANDSAT, exceptand infrarosul termal, pentru identificarea unor categorii de acoperire a terenului. Este evident faptul ca analizele in alb-negru ale unei singure benzi spectrale nu pot fi productive. Cunoscand, insa, caracteristicile de sensibilitate spectrala ale fiecarui canal in parte este mai usor sa se aleaga combinatiile de trei benzi spectrale pentru vizualizari sugestive pentru a facilita discriminarea claselor care fac obiectul studiului.

Caracteristici exploatate pentru evaluarea imaginilor satelitare

Pentru a sistematiza corect informatia continuta de imagini, in practica fotointerpretarii se tine seama de urmatoarele caracteristici:

• Intensitatea (stralucirea) tonului/culorii care indica modul in care lumina este reflectata de catre un obiect;
• Textura care indica frecventa schimbarilor si dispunerii tonurilor in cadrul imaginii;
• Contrastul care indica relatia tonurilor unui obiect cu vecinatatile acestuia;
• Structura/modelul care indica repetitivitatea regulata a variatiilor tonale in cadrul imaginilor si descrie aranjamentul spatial al elementelor de interes observate;
• Forma se refera la aspectul general, configuratia sau conturul unui obiect identificat in contextul imaginii;
• Marimea se refera la dimensiunea suprafetei ocupate de obiectul analizat

1. Relatia si semnificatia relatiei textura/structura

In scopul evitarii oricaror ambiguitati, este necesar sa fie clarificate doua notiuni esentiale in practica interpretarii imaginilor (textura si structura) dar si relatia fundamentala dintre acestea.

Textura ofera relatii asupra naturii obiectului evidentiata prin proprietatile fizice ale acestuia cuantificabile prin nivelul reflectantei.

Structura evidentiaza in mod special functia obiectului si/sau relatiile acestuia cu mediul inconjurator. Astfel, prin analiza logica, in mod indirect, se pot pune in evidenta elemente de substrat (geologia) prin elementele structurate corespondente de la suprafata (reteaua hidrografica).

In natura se regasesc texturi care pot fi foarte bine structurate (de exemplu o plantatie arboricola de varsta medie in care copacii sunt dispusi dupa un aranjament geometric prestabilit) sau slab structurate (de exemplu o padure virgina).

Diagrama urmatoare prezinta un exemplu privind structurile texturale care pot fi identificate pe imaginile aeriene si satelitare.

Fig. 30 Exemple de structuri texturale

2. Forma, marimea obiectului si elemente corelate

Forma elementelor din natura, cat si dimensiunea acestora sunt asociate cu modele intuitive formalizate in cataloage sau ghiduri de fotointerpretare. In figurile de mai jos sunt reprezentate coroanele unor arbori si siluetele lor atunci cand acestia sunt izolati. Ca element ajutator, se utilizeaza umbra, asociata acestor siluete.

Fig. 31 Coroana diferitelor specii de conifere) pe fotogramele aeriene

Fig. 32 Coroana diferitelor specii de arbori (foiase) pe fotogramele aeriene

Fig. 33 Umbrele copacilor izolati pe fotograme aeriene

Zonele de umbra si zonele supraexpuse afecteaza lizibilitatea elementelor de pe imagine. Reflexivitatea rocilor de culoare alba provoaca aparitia unor zone foarte luminoase fiind impiedicata discriminarea detaliilor datorita pierderii de contrast.

Pentru unul si acelasi detaliu, in conditii meteorologice diferite, interpretarea trebuie adaptata stiind faptul ca solul umed are o culoare diferita, mai inchisa, decat solul uscat. Pentru a compensa acest handicap, in fotogrammetria clasica, in timpul prelucrarii de laborator, se realiza o expunere diferentiata la copiere: mai lunga pentru zonele stralucitoare (inchise pe negativ) si mai redusa pentru zonele umbrite (transparente pe negativ).

Tehnicile digitale permit o altfel de abordare bazata pe tehnici de manipulare a histogramei si/sau filtraj specific in scopul imbunatatiri contrastului, luminozitatii ori intaririi frontierelor dintre obiectele individualizate.

5. Analiza peisajului

Tinand seama de caracteristicile enumerate in paragrafele anterioare analiza peisajului se realizeaza in urmatoarea ordine:

1. Reteaua hidrografica (de drenaj)
2. Formele de relief;
3. Acoperirea (cuvertura) terenului.

5.1. Analiza retelei hidrografice (a drenajului)

Analiza drenajului ofera informatii referitoare la morfologia terenului, litologie, structura geologica si permeabilitatea materialelor suprafetei.

Evidentierea sistemului natural terestru,

Identificarea infrastructurii

Observarea organizarii teritoriale.

In tabelul urmator pot fi regasite elemente de corelatie intre forma (configuratia) retelei hidrografice si forma de relief specifica fiecarui tip de drenaj.

6. Fotointerpretarea imaginilor

Fotointerpretarea este metodologia de extragere si clasificare a informatiei tematice continute imagini analogice sau digitale. Aceasta disciplina s-a dezvoltat in paralel cu fotogrammetria. De fapt, fotogramele si cuplele stereoscopice constituie un echivalent analogic optic-mecanic si chimic al sensibilitatii ochiului la lumina, al viziunii stereoscopice si perceptiei optice.

Primul obiectiv al fotointerpretarii este utilizarea intensiva a documentelor fotografice si/sau imagine pentru obtinerea si exploatarea informatiei necesare studiilor specifice unor domenii tematice.

Fotointerpretarea este conditionata de acumularea prealabila a unor cunostinte referitoare la realitatea socio-economica si fizica, tipurile morfologice si conditiile specifice unui areal considerat subiect al studiului.

In plan calitativ imaginea fotografica sau digitala poate fi interpretata cu scopul evidentierii diverselor caracteristici ale mediului de catre specialisti din diverse ramuri ale stiintelor naturii, iar in plan cantitativ, fotografia aeriana clasica si tehnicile fotogrammetrice si de teledetectie multispectrale in vizibil, infrarosu si/sau microunde permit masurarea formelor si dimensiunilor terenului, in vederea elaborarii hartilor si planurilor.

Chiar daca progresul informaticii este exponential, folosirea tehnicilor figurative se dovedeste a fi foarte sigura si, in multe cazuri, economica pentru o mare varietate de aplicatii operationale, dezvoltarea acestei laturi a interpretarii imaginilor fiind supusa permanent unui proces de modernizare favorizat de progresul in domeniul informaticii si adaptarii de algoritmi specifici.

Chiar daca fotogrammetria clasica permite masurarea celor trei dimensiuni X,Y,Z, singurele masuratori care se efectueaza sunt bidimensionale. Avantajele utilizarii fotografiei analogice (de exemplu o fotograma aeriana) pot fi rezumate astfel :

Este o imagine relativ obiectiva a realitatii la un moment dat,

Fotografia reda o reprezentare completa a unui obiect (cu exceptia partilor ascunse sau mascate),

Este un document foarte usor de manipulat, cu o mare fiabilitate in timp (atunci cand sunt luate masuri de arhivare speciale),

Prin sau prelevarea de fotograme terestre se realizeaza corespondenta dintre obiectul real din teren si imaginea sa (mai mult sau mai putin obiectiva) de pe fotograma,

Este posibil studiul obiectelor deformabile, fragile, casabile, fara a intra in contact direct cu acestea si fara a le deteriora,

Prin fotointerpretare se realizeaza o operatiune inversa prin care se incearca reconstituirea realitati din teren pe baza unor criterii de analiza specifice.

Evident, fotogrammetria aeriana spre deosebire de teledetectia satelitara, apeland la masuratori indirecte (cazul reperajului), are si unele inconveniente care se datoreaza, in special, calculelor relativ complexe care impiedica obtinerea rezultatelor in timp real.

Fotografia aeriana se utilizeaza in doua moduri :

prin metode de fotoidentificare (descifrare)) se recunosc obiecte simple vizibile pe fotograma (drumuri, arbori, ape), iar prin fotodeterminare, utilizand principii logice, se recunosc prin deductie obiecte si fenomene simple.

prin metode de fotointerpretare se realizeaza o analiza deductiva stabilind relatiile complexe intre obiecte foarte frecvent invizibile pe fotograme (de. exemplu tipuri de soluri, prezenta apei freatice).

Aceasta analiza conduce la elaborarea de legi de corelare intre obiecte si la o intelegere globala a structurilor mediului si a interactiunilor intre factorii naturali si umani.

Fotointerpretarea face apel la specializarea interpretului, la competenta sa si, mai ales la experienta sa de teren fara de care nu este posibila obtinere unor rezultate reale.

6.1. Principii si etape ale procesului de fotointerpretare

Fotointerpretarea este realizata, in general, printr-o succesiune de operatiuni constand din :

pregatire (pre-zonare)

confruntarea de teren (recunoastere prealabila, control final)

sinteza

cartografiere

Succesiunea operatiunilor poate varia in functie de clima iar durata fotointerpretarii variaza in functie de :

tema studiata,

obiectivele studiului

experienta fotointerpretului

6.1.1. Pregatirea (pre-zonarea)

Atunci cand se utilizeaza documente exclusiv in format analogic, se incepe cu racordarea hartilor si a fondului de planuri disponibile referitoare la arealul de studiu. De asemenea se pregateste baza fotografica de lucru (asamblarea fotogramelor in fotoscheme sau mozaicuri).

In cazul utilizari imaginilor in format digital in mod obisnuit se realizeaza o stratificare a peisajului analizat si se aplica masti tematice acolo unde este cazul. De exemplu daca se efectueaza un studiu asupra unui peisaj litoral, iar calitatea apei nu face obiectul studiului, apa este delimitata pentru a fi eliminata din procesul de calcul prin mascare.

Se efectueaza lectura preliminara pentru a

identifica caile de acces

se familiariza cu marile unitati de peisaj sau de teritoriu care pot face obiectul zonarii

In cazul utilizarii fotogramelor se face apel la asa numita Lectura stereoscopica care permite efectuarea unei prime interpretari detaliate orientate catre subiectul de studiu utilizand mijloace de evaluare a structurilor si a texturilor care favorizeaza interpretarea mai avansata.

In urma acestei operatiuni rezulta un document pre-stratificat insotit de o legenda care limiteaza posibilitatea de a genera confuzii (incertitudini). Cu aceasta ocazie se localizeaza si puncte care trebuie vizitate la teren (de exemplu cariere unde se pot face studii de sol sau de structuri geologice). Obiectele neidentificate si incerte se inventariaza pentru a fi si ele vizitate la teren.

6.1.2. Confruntarea la teren

Practica fotogrammetrica clasica a impus ca metode de validare a fotointerpretarii realizate la birou trei moduri de lucru:

Observarea punctuala individuala (lunga si costisitoare)

Observarea stationara se face dintr-un punct reprezentativ al zonei de studiu (statie). In urma observarii stationare se face o reprezentare care este afectata de limitarile impuse de mascare si de aprecierea perspectiva neconforma)

Observarea peisajului din mai multe puncte de statie. Prin aceasta metoda se poate face o descriere mai completa a zonei de interes. Totusi, si aceasta metoda de lucru este limitata de mascare si perspectiva care pot insela observatorul, fie el foarte experimentat.

De la aparitia metodelor computerizate de analiza strategia si obiectivele activitatii de teren au fost adaptate astfel ca pe langa abordarea clasica mult simplificata (sau chiar ignorata), se practica metode de validare prin sondaj a rezultatului clasificarilor. Este cazul aplicatiilor cu tematica privind utilizarea si/sau acoperirea terenurilor (cunoscute prin abrevierea generica in limba engleza LU/LC-land use/land cover). De fapt, acceptand faptul ca se lucreaza georeferentiat, pentru poligoane care delimiteaza clase de obiecte supuse verificarii, se extrag perechi de coordonate x si y . La teren, cu ajutorul GPS-ului, se identifica punctul respectiv si se confirma, sau infirma, dupa caz rezultatul clasificarii.