Ψηφιακές αεροφωτογραφίες

Η παραγωγή ψηφιακών αεροφωτογραφιών σε αντίθεση με τις αναλογικές αεροφωτογραφίες απαιτεί περισσότερο εξελιγμένα συστήματα λήψης, αρχειοθέτησης και παραγωγής τα οποία πέραν των άλλων έχουν υψηλό κόστος. Η επιλογή τους θα πρέπει να έχει ως στόχο την άμεση συνεργασία τους με συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας και συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών. Για το σκοπό αυτό οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες θα πρέπει να έχουν διορθωθεί από τα σφάλματα τους. Οι αεροφωτογραφίες που έχουν υποστεί γεωγραφική διόρθωση ονομάζονται ψηφιακές ορθοφωτογραφίες. Υπάρχουν δυο τρόποι παραγωγής ψηφιακών αεροφωτογραφιών:

• Η παραγωγή τους με κατευθείαν ψηφιακή λήψη.

• Η παραγωγή τους από ψηφιοποίηση αεροφωτογραφιών αναλογικής μορφής.

Η απευθείας λήψη αεροφωτογραφιών σε ψηφιακή μορφή γίνεται με ειδικά όργανα καταγραφείς, ψηφιακές κάμερες και video. Μια συνήθης καταγραφή είναι αυτή με ψηφιακή video camera, όπου η περιοχή κατά μήκος της γραμμής πτήσης του αεροσκάφους αποθηκεύεται ως μια συνεχής εικόνα σε μαγνητικό μέσο. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται ένα video frame - grabber για να ληφθούν οι αεροφωτογραφίες μεμονωμένες. Η μέθοδος αυτή παρά την εύκολη λήψη έχει πολλά μειονεκτήματα εξαιτίας της μειωμένης ανάλυσης της λαμβανόμενης ψηφιακής εικόνας, της δυσκολίας βαθμονόμησης της κάμερας, της επίδρασης της θερμοκρασίας και της δυσκολίας συγχρονισμού της κάμερας και του συστήματος video frame - grabber. Το μοναδικό ίσως πλεονέκτημα είναι το χαμηλό κόστος. Μια άλλη συσκευή λήψης είναι οι φωτογραφικές μηχανές ψηφιακής λήψης ή κάμερες φωτοευαίσθητων κυττάρων, όπου στη θέση του φιλμ υπάρχει ένας πίνακας φωτοευαίσθητων κυττάρων που λαμβάνει τις τιμές φωτεινότητας του εδάφους που φωτογραφίζεται, οι οποίες στη συνέχεια καταγράφονται σε μαγνητικά μέσα. Οι περισσότερες ψηφιακές μηχανές λήψης που κυκλοφορούν σήμερα χρησιμοποιούν αισθητήρες CCD (Change Coupled Devisers). Τα μειονεκτήματα των συσκευών αυτών αφορούν κατά κύριο λόγο το περιορισμένο μέγεθος του πίνακα φωτοευαίσθητων κυττάρων (55mm x 55mm) και το σχήμα των εικονοστοιχείων (pixels), που είναι ορθογώνια αντί για τετράγωνα με αποτέλεσμα να έχουμε σφάλματα στη ψηφιακή αεροφωτογραφία. Πρόσφατες επιστημονικές έρευνες οδήγησαν στην κατασκευή περισσότερο εξελιγμένων αισθητήρων, τελείως διαφορετικής αρχής, τους CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors), οι οποίοι χρησιμοποιούν στα modem, μνήμες και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα τους είναι η οικονομική παραγωγή και η μικρή ηλεκτρική κατανάλωση (100 φορές μικρότερη των CCD). Στην τεχνολογία των ενεργών κυψελίδων (ή εικονοστοιχείων, active pixels) CMOS κάθε στοιχείο περιέχει όχι μόνο το τμήμα αισθητήρα, αλλά και την ενισχυτική βαθμίδα ώστε να μεταφέρει τα δεδομένα κατευθείαν.

Στις ΗΠΑ σήμερα προωθείται η τεχνολογία APS (Active Pixel Sensor), με την οποία εξαφανίζεται ο ηλεκτρικός θόρυβος, πρόβλημα που δεν επέτρεπε την εμπορική αξιοποίηση CMOS σε ψηφιακές εφαρμογές εικόνας και σάρωσης. Τα κύρια χαρακτηριστικά των ψηφιακών μηχανών, πέραν των όσων αφορούν όλες τις μηχανές λήψης (φακοί, εστίαση κλπ), αφορούν τον τύπο του αισθητήρα (sensor), την ανάλυση (optical resolution), τα χρώματα (σε bit), την κύμανση της πυκνότητας (density range), το χρόνο σάρωσης (scan time) και την επεξεργασία του σήματος (signal processing). Οι έγχρωμες εικόνες έχουν περίπου 16 εκατομμύρια χρώματα, βάθος 24 bit και ανάλυση 1600x1200 εικονοστοιχείων, χωρίς συμπίεση. Υπάρχουν ειδικά λογισμικά, που συνοδεύουν τη μηχανή, τα οποία εξασφαλίζουν τη μεταφορά των εικόνων και την αποθήκευση τους απ' ευθείας στον υπολογιστή. Πέραν από αυτά, σημαντικό ρόλο παίζουν τα παρελκόμενα και η συμβατότητα τους με άλλα αναγκαία συστήματα, όπως υπολογιστές, εκτυπωτές, λογισμικά, κλπ. Οι δυνατότητες των ψηφιακών μηχανών που κυκλοφορούν στο εμπόριο σήμερα, έχουν χωρητικότητα 40-60 εικόνων και μπορούν να συνδεθούν απευθείας με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η ανάλυση τους κυμαίνεται από 800x600 έως 1600x1200, δηλαδή είναι πέντε φορές υψηλότερη των συμβατικών αναλογικών συστημάτων. Οι ψηφιακές μηχανές λειτουργούν σε περιβάλλον MAC και WINDOWS και χρησιμοποιούν σύνδεση SCSI που εξασφαλίζει τη μεταφορά δεδομένων από τη μηχανή στον υπολογιστή σε λίγα δευτερόλεπτα. Αρκετές από αυτές έχουν και μετατροπέα SCSI σε PCMCIA, για σύνδεση της μηχανής με τη θύρα PCMCIA του υπολογιστή. Για την εκτύπωση των ψηφιακών εικόνων, δηλαδή την παραγωγή τους σε αναλογική μορφή, υπάρχουν ειδικοί εκτυπωτές (film printers) οι οποίοι παίρνουν τα αρχεία των εικόνων από τον υπολογιστή και εκτυπώνουν τόσο φωτογραφίες όσο και διαφάνειες. Ένα πλήρες σύστημα λήψης, αποθήκευσης, επεξεργασίας και εκτύπωσης ψηφιακών εικόνων περιλαμβάνει ψηφιακή μηχανή, ηλεκτρονικό υπολογιστή και εκτυπωτή, τα οποία είναι συμβατά και κατάλληλα συνδεδεμένα μεταξύ τους. Η πλέον ασφαλής και αξιόπιστη μέθοδος λήψης ψηφιακών φωτογραφίων είναι με τη χρήση αυτόματων σαρωτών ή ψηφιοποιητών (scanners). Υπάρχουν ειδικοί σαρωτές (film scanners) οι οποίοι μετατρέπουν αναλογικές εικόνες, θετικά ή αρνητικά φιλμ, έγχρωμα ή ασπρόμαυρα, σε ψηφιακές. Ειδικά για τη ψηφιοποίηση αεροφωτογραφιών υπάρχουν στην αγορά μόνο λίγα μοντέλα φωτογραμμετρικών ψηφιοποιητών, τα οποία όμως είναι πολύ ακριβά. Αυτά μπορούν να ψηφιοποιήσουν αεροφωτογραφίες με διακριτική ικανότητα 7 μικρά ή 3387 dpi(dots per inch) ή και περισσότερα. Στη ψηφιοποίηση των αεροφωτογραφιών υπάρχουν δυο αλληλοσυγκρουόμενοι παράγοντες που είναι η ανάλυση σάρωσης, από την οποία προκύπτει η λεπτομέρεια της λαμβανόμενης πληροφορίας και το μέγεθος των αρχείων αποθήκευσης πληροφοριών που δημιουργούνται.

Όσο πιο υψηλή είναι η ανάλυση σάρωσης (resolution), που εκφράζεται σε τελείες ανά ίντσα dpi, άρα και η λαμβανόμενη πληροφορία πιο λεπτομερής, τόσο πιο μεγάλα αρχεία δημιουργούνται, με αποτέλεσμα να χρειάζονται μεγάλοι αποθηκευτικοί χώροι σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι από τη ψηφιοποίηση μιας ασπρόμαυρης αεροφωτογραφίας μεγέθους 23cmx23cm, σε ανάλυση 20m, προκύπτει ένα αρχείο δεδομένων 126 Mbytes. Το αρχείο αυτό εκτός από τις απαιτήσεις που έχει για μαγνητικούς χώρους απαιτεί και πολύ μεγάλης δυναμικότητας ηλεκτρονικούς υπολογιστές για την επεξεργασία του. Η αναλογική εικόνα με την ψηφιοποίηση της μετατρέπεται σε ένα σύνολο από στοιχειώδη αυτοτελή τετράγωνα τεμάχια τα εικονοστοιχεία (pixels). Κάθε ένα από αυτά έχει τις δικές του ιδιότητες, όπως για παράδειγμα τη δική του τιμή χρώματος. Με τον τρόπο αυτό σε μια ψηφιοποιημένη παγχρωματική ασπρόμαυρη αεροφωτογραφία το κάθε εικονοστοιχείο μπορεί να έχει τιμή 0-255, δηλαδή 256 τιμές, όσοι και οι τόνοι του γκρίζου. Σε μια έγχρωμη αεροφωτογραφία το εικονοστοιχείο μπορεί να παίρνει 16,7 εκατομμύρια τιμές, διότι κάθε χρώμα προκύπτει από μίξη των τριών βασικών χρωμάτων, του κόκκινου, του πράσινου και του μπλε, που κάθε ένα από αυτά έχει 256 διαβαθμίσεις, άρα συνολικά 256x256x256=16.777.216 τιμές χρωμάτων. Στην περίπτωση της ασπρόμαυρης αεροφωτογραφίας το βάθος του εικονοστοιχείου είναι 8, διότι 2⁸=256, ενώ στην περίπτωση της έγχρωμης αεροφωτογραφίας το βάθος είναι 24, διότι 2²⁴= 16.777.216.

Οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά με ειδικές επεξεργασίες, οπότε και είναι ποιο εύκολη η ανάκτηση περισσότερων πληροφοριών. Προκειμένου αυτές να χρησιμοποιηθούν από ένα Γεωγραφικό Πληροφοριακό Σύστημα (Geographical Information System, GIS) πρέπει να υποστούν διάφορες εκτενείς επεξεργασίες και μετασχηματισμούς. Η πρώτη βασική επεξεργασία είναι η ρύθμιση των μεγάλων χρωματικών αντιθέσεων (contrast). Με την επεξεργασία αυτή οι πολύ σκοτεινές και οι πολύ φωτεινές περιοχές μειώνουν τις χρωματικές αντιθέσεις τους, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται περισσότερες λεπτομέρειες. Η μείωση του contrast μπορεί να γίνει και σε επιλεγμένες περιοχές της ψηφιακής αεροφωτογραφίας και όχι υποχρεωτικά σε όλη την έκταση της. Η επέμβαση αυτή της ρύθμισης του contrast γίνεται σε κάθε εικονοστοιχείο, ανεξάρτητα με τα γειτονικά του.

Η δεύτερη επεξεργασία αναφέρεται στο φιλτράρισμα της ψηφιακής αεροφωτογραφίας με χρήση διάφορων φίλτρων. Με το φιλτράρισμα γίνεται ένας μετασχηματισμός των τιμών των εικονοστοιχείων, ο οποίος δεν εξαρτάται μόνο από την τιμή του εικονοστοιχείου που μετασχηματίζεται, αλλά και από τις τιμές των γειτωνικών εικονοστοιχείων. Για το σκοπό αυτό απαιτούνται ογκώδεις υπολογισμοί σε Η/Υ, ο οποίος πρέπει να διαθέτει μεγάλη υπολογιστική ισχύ. O σημαντικότερος μετασχηματισμός των ψηφιακών αεροφωτογραφιών είναι η ορθοαναγωγή. Ο όρος αυτός αναφέρεται στη διόρθωση των σφαλμάτων της εικόνας εξαιτίας της κύμανσης του υψομέτρου. Για τη διόρθωση των σφαλμάτων αυτών είναι αναγκαία η δημιουργία ψηφιακού μοντέλου ανάγλυφου (Digital Elevation Model-DEM) της περιοχής που καλύπτουν οι ψηφιακές αεροφωτογραφίες που πρόκειται να διορθωθούν. Άλλος αναγκαίος μετασχηματισμός είναι η αναγωγή των αεροφωτογραφιών σε ένα γνωστό γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς, για παράδειγμα στο ΕΓΣΑ'87, στο UTM κλπ. Ο μετασχηματισμός αυτός μπορεί να γίνει με τη βοήθεια γνωστών σημείων ελέγχου (control points), τα οποία υπάρχουν στη ψηφιακή εικόνα και έχουν γνωστές συντεταγμένες στο επιθυμητό γεωδαιτικό σύστημα αναφοράς. Τα σημεία αυτά μπορεί να ληφθούν γραφικά ή να μετρηθούν απευθείας στο έδαφος. Για περιοχές που δεν υπάρχουν γεωδαιτικές πληροφορίες χρησιμοποιούνται τα Δορυφορικά Συστήματα Εντοπισμού Θέσεως (Global Position Systems GPS). Ο μετασχηματισμός αυτός γίνεται με τη βοήθεια πολυωνύμων και με υπολογισμό των αντίστοιχων συντελεστών τους, με τη μέθοδο των Ελαχίστων Τετραγώνων (ΜΕΤ).

Χ=a_o+a₁X+a₂Ψ+a₃Ψ+a₄X²+a₅Ψ²

Ψ'=b_o+b₁X+b₂Ψ+b₃Ψ+b₄X²+b₅Ψ²

Όπου Χ και Ψ οι συντεταγμένες του επιθυμητού γεωδαιτικού συστήματος αναφοράς και Χ' και Ψ' οι συντεταγμένες της ψηφιακής εικόνας. Μετά από τις παραπάνω επεξεργασίες και μετασχηματισμούς, η αξιοπιστία της εικόνας βελτιώνεται σημαντικά και έτσι μπορεί αυτή να χρησιμοποιηθεί για το συνδυασμό των δεδομένων της με δεδομένα χαρτών ή άλλων εικόνων τα οποία έχουν δημιουργηθεί σε Γεωγραφικά Συστήματα Πληροφοριών ή σε Συστήματα Ψηφιακής Επεξεργασίας εικόνας.