НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ

ПОДГОТОВКА КОСМОСНИМКОВ В ADOBE PHOTOSHOP

- Что такое ландсат, где его раздобыть

- Как монтировать каналы и какие выбрать

- Настройка уровней яркости

- Выделение естественных тонов

- Наведение резкости

- Подключение 15 м канала

- Инвертирование каналов

- Восстановление геопривязки

- Подготовка к публикации

- Готовый ландсат и свежие идеи

Известно, что для обработки спутниковых изображений нужны соответствующие ГИС-пакеты - RSI ENVI, ERDAS Imagine, ESRI Image Analysis. Однако подготовить снимок к ГИС-работе, сделать его наглядным для экспертного дешифрирования, например, или для оформления окончательных материалов, несложно и в фотошопе. При этом вполне возможно соблюсти все требования ГИС - отсутствие значительных потерь изображения, сохранение геопривязки, разрешения и адекватности первичному материалу.

Что такое ландсат и где его раздобыть

Ландсатовские снимки очень популярны в настоящее время, и совершенно бесплатны. На их основе, кстати, построен картографический сервис Google. Они отсняты традиционным "оптическим" способом, что благоприятно сказывается на их качестве. Данные охватывают весь видимый диапазон, а также инфракрасный. Всего предоставляется 7 или даже 9 "каналов" (bands), отражающих разные диапазоны спектра. Разрешение снимков составляет 30 метров. Скачать их можно на разных сайтах, предоставляющих удобный наглядный доступ, например, вот здесь. Там же можно почитать об особенностях проектов TM и ETM, определиться с уровнем обработки снимка и набором каналов. Первые три обычно представляют видимый спектр, Channel 3 ~ Red, Channel 2 ~ Green, Channel 1 ~ Blue. Нужны ли вам остальные инфракрасные, решайте сами. Файл восьмого канала заметно крупнее - он содержит данные 15-метрового разрешения, панхроматические, то есть широкого диапазона спектра.

Для скачивания ГИС-специалистам будет эффективнее иметь в ГИС файл спутникового покрытия, его можно раздобыть здесь. Он геопривязан и легко ложится на имеющиеся карты мира. По нему несложно разобраться, какие залеты (Path) и номера снимков (Row) вам нужны. Скачивать, зная Path и Row, уже можно по FTP. Сайты для этого открыты разные, мне показался удобным вот этот доступ. Снимки разложены в каталоги сначала по Path, а внутри по Row. Лучше скачивайте вариант ETM+, недаром он расшифровывается как Enchanced Thematic Mapper: комплект в целом новее и детальнее. Подробнее о детальности говорится ниже в статье. Снимки разложены на несколько каналов, по отдельности они выглядят как серые изображения. Можно, конечно, не склеивать их вообще, а просто наложить друг на друга в ArcMap, и, настраивая прозрачность, добиться желаемого эффекта сложения. Однако фотошоп позволяет сделать это легче, проще и даже быстрее. Если вы не располагаетет специализированными пакетами обработки космических снимков, то есть смысл воспользоваться этим мощным универсальным инструментом.

Как монтировать каналы и какие выбрать

Чтобы сложить серые изображения отдельных каналов, в Photoshop'е нужно воспользоваться окном каналов "Channels". В меню окна имеется команда "Merge Channels". Дальнейшее сложности не представляет: в модели RGB один какой-либо канал должен быть объявлен как красный, другой как зеленый, третий как синий. Подробно и с картинками вся процедура изложена на сайте Скотта Щербы, не будем на этом останавливаться. Интересный вопрос, какие именно каналы выбрать? Первые три, видимые, редко дают хороший эффект - они часто бывают мутными, атмосфера в этой части спектра не так уж прозрачна. Обычно исследователи растягивают понятие "видимый диапазон", применяя комбинацию каналов 5,3,2 или даже 7,4,2 - последний вариант, кстати, применяется для построения мозаик ETM+. О выборе каналов для разного рода задач можно почитать на сайте web.pdx.edu. По-русски это изложено здесь. Не стесняйтесь экспериментировать - иногда необычное сочетание каналов дает неожиданные, но полезные эффекты. После слияния снимок будет выглядеть примерно так:

Настройка уровней яркости

Процесс настройки и обработки в целом напоминает обработку обычных, любительских фотографий. Опытным фотопользователям известно, что каждый шаг чуть-чуть размывает" изображение. При обработке снимка приходится это учитывать. Чтобы снять "напряжение" на этот счет, можно посоветовать такой подход: сначала пройдите всю цепочку обработки "вольно", без самоограничений, отрабатывая методику на ключевых участках. Потом продумайте все шаги, проверьте "узкие места" и повторите всё еще раз, но уже строго по выбранному алгоритму, без повторных операций. Стоит помнить о том, что каждая операция на растре - даже такая, казалось бы, безобидная, как настрока яркости - слегка уменьшает и четкость, и яркостную дискретность. После 10-15 таких операций некоторые участки вы можете уже не узнать... Наилучший сценарий содержит 4-5 шагов, не более, после этого существенные потери данных неизбежны.

Сначала разумно настроить яркость, точнее, сбалансировать ее. Лучше это сделать операцией настройки Levels - гистограмма позволяет отрегулировать яркость по уровням почти вслепую, не глядя на сам снимок. Наиболее распространенная расстановка управляющих движков показана на рисунке.

Эту операцию разумно делать отдельно для каждого канала, можно даже еще до сборки. Работая правым движком, помните, что слишком близко к пику его приближать не стоит - вы срезаете невидимые на гистограмме, но существенные оттенки полей белого цвета. С левым движком то же самое, только в темных тонах. В целом настройка одномодального по яркости изображения, с одним пиком, сложности не представляет. Настройку яркости бимодального снимка только с помощью Levels сделать вряд ли удасться, тут понадобится внимательно изучить и протестировать ключевые участки. В любом случае, балансируя яркость изображения, краевые тона мы слегка теряем, поэтому не стоит увлекаться. Для анализа растительности, например, нам кажется достаточным, если все ландшафтные разности выделяются. Вряд ли стоит добиваться, чтобы отдельные, пусть даже важные разности "бросались в глаза" - это можно сделать и потом, уже на этапе оформления. После корректировки уровней снимок станет примерно таким:

Такой снимок уже пригоден для анализа силами экспертов - их не испугают черная вода и синие поля, им куда важнее четкость контуров. Однако, если пользователи капризны и хочется еще улучшить снимок в угоду общепринятой "естественности", то можно еще немного поступиться четкостью.

Воссоздание естественной окраски

Сначала стоит попробовать настроить снимок в целом. Можно это сделать, усиливая яркость отдельных каналов, но удобнее работать с инструментом балансировки цвета "Color Balance". В нашем случае так были подкрашены поля, заодно корректировался тон лесных угодий. Однако для неокрашенных, черных или белых пространств общий баланс малоэффективен, их лучше подкрасить "отдельно", не затрагивая остального. Для этого сначала надо выделить нужные пространства, например, все акватории, инструментом "Select Color Range". Здесь очень важно подобрать нужную чувствительность, чтобы в выборку и подводные банки вошли, и участки берега не прихватить. Контролировать результат выбора лучше с большим увеличением, и обязательно на разных ключевых участках. Сама подкраска ведется тоже балансом цвета, чтобы сохранить естественную текстуру. Добавляете воде синего или голубого, это дает вполне приемлемый результат и позволяет выгодно оттенить некоторые подводные особенности.

Наведение резкости

Снимок может показаться мутноват, по сравнению с Гуглом, например, на ту же территорию. Однако эта беда в фотошопе поправима. Применить можно один из фильтров резкости - Sharpen или Sharpen Edges. Первый дает хороший, но едва уловимый эффект, Sharpen Edges эффективен именно для снимков, так как старается обработать только переходы, не затрагивая однотонных площадей. Есть и другие, более мощные инструменты, но рекомендовать их вряд ли разумно, снимок начинает очевидно портиться, заметно уходя от оригинала. Яркий пример - снимки Гугл, где резкость выгодно подчеркивает строения, вместе с тем смазывая различия лесных пород. Об этом отдельная речь, а здесь лишь отмечу, что важно знать меру. Вариант умеренного усиления краев вот:

На этом, как кажется, лучше остановиться. Обычно есть соблазн в конце работы еще улучшить общую яркость и отрегулировать контраст... Но в свете всего сказанного куда разумнее просто зафиксировать пожелания, и включить их в цепочку на первых стадиях обработки. Стоит помнить, что "улучшить" яркость в три приема это не то же самое, что "угадать" настройку с первого раза. Во втором случае снимок сохраняет намного больше информации.

Подключение 15-тиметрового канала

Восьмой канал в два раза детальнее, и он может улучшить разрешение всего изображения. Для этого нужно просто его наложить... Слегка поблекнет цвет, зато заметно усилится детальность. Эксперты положительно реагируют на такие новшества, тем более, что и предыдущие варианты лежат рядом на рабочем столе.

Как добиться этого? Можно поиграть с прозрачностью слоев в ArcMap. Однако лучше воспользоваться опять-таки операциями с каналами. Хороший способ предложил MichaelP на форуме Gis-Lab: готовый снимок 30-метрового разрешения переводится в модель Lab, где канал L - это как раз яркость изображения, остальные два содержат данные о цвете. Снимок разбивается на каналы командой "Split Сhannels". Затем 30-метровый канал L мы выбрасываем, а серые изображения цветовых каналов a и b увеличиваем ровно вдвое, сохраняя, разумеется пропорции. Загружаем в Photoshop восьмой канал, и вновь собираем изображение, используя восьмой канал как яркостной "L" в новом, увеличенном снимке. Результат именно такой операци представлен на нижнем рисунке.

Таким образом "подменяется" примерно одна треть инфорации изображения, и цвет заметно "уходит" от ваших настроек. Если вам важнее сохранить с таким трудом настоенный баланс цвета, то лучше "пересобрать" снимок через модель CMYK - канал "К" в этом случае содержит черый цвет, его-то и надо подменить на 15-метровый. Подменяется всего одна четверть информации, четкость улучшается не так сильно, зато лучше сохраняется цвет.

Стоит сравнить улучшенный Ландсат с честным изначально пятнадцатиметровым снимком ASTER на ту же территорию, который приведен ниже. Ландсат проигрывает по четкости, но не так уж значительно.

Инвертирование каналов

Подробней об инвертировании каналов. Хорошо разобрать это на примере Aster - на снимках изначально преобладают красные тона.

Можно, конечно, долго и упрямо корректировать баланс цветов... Но поглядим на снимок с точки зрения здравого смысла: цвета явно "перепутаны": красный лес, синие поля и отмели. Значит, проще будет решительно поменять каналы. Разбить снимок на каналы можно там же, в окне Channels командой Split. После этого тут же можно собрать снимок обратно, притом бывший красный, "лесной" канал логично сделать зеленым. Бывший синий, "полевой" хотелось бы желтым, но не получится. Что ж, пусть поля будут красными - это тоже терпимо. Оставшийся незанятым в новом снимке синий канал займет бывший зеленый, что, к сожалению, не даст улучшения окраски воды - этот канал темноват. Снимок готов, только поля и отмели красноваты - как это исправить, заодно подкрасив и воду, описано выше.

Получается, что логичный подход для средних широт при сборке в модели RGB - самый яркий канал суши делать зеленым, наиболее светлый канал воды - синим. Это позволит расцветить леса и проявить водные пространства, что дает окраску, близкую к натуральной. Если при этом удается соблюсти и правильный порядок каналов, то эта "натуральность", бывает, близка к естественности.

Восстановление геопривязки

Снимки ландсат поставляются как геотиф, что очень удобно - файл любого канала содержит не просто привязку, а еще и описание проекции. Достаточно подгрузить такой снимок в пустой датафрейм ArcMap, чтобы проекция установилась в виде сама собой. Обычно это одна из зон UTM. Однако, как можно догадаться, фотошоп не сохраняет геопривязку. Ничего страшного, восстановить ее несложно. Нужно взять исходный файл в своей родной проекции, как описано выше, и создать из него world-файл. Для этого годится команда "Rectify", но она по умолчанию заблокирована. Чтобы обмануть ArcMap, надо выключить Auto Adjust и наметить какое-либо преобразование растра - наколоть одну точку, например. Тут же удаляем эту точку, и преобразование отменяется, однако Arcmap обманывается и команда Rectify разблокируется. Можно, таким образом, сделать копию изображения в заданной проекции. Само изображение, естественно, можно удалить, а world-файл прикладывается ко всем изображениям, вышедшим из-под фотошопа. Грузить их можно только в указанной проекции, но далее средствами ArcMap можно перепроецировать растры, если это необходимо.

Методика восстановления геопривязки была отлажена нами в Arcmap 8.3, но в разных версиях бывали разные трудности - у кого-то команда не разблокировалась, у кого-то world-файл не образовывался. Во втором случае с геотифами можно применять еще одну хитрость - сделать tiff read-only, чтобы Arcmap не мог вставить геопривязку внутрь - иногда это помогает рождению долгожданного world-файла. Если Rectify так и не активизируется, то можно попробовать воспользоваться небольшой утилитой, чтобы вытянуть tfw, наконец.

В более поздних версиях ArcMap появились возможности придать растрам полноценную геопривязку, содержащую описание проекции. Но даже если ваши лицензии не позволяют сделать это через ArcToolBox/Define Projection, то есть простой способ: загрузите растр с готовым world-файлом в датафрейм, прокция которого установлена. Разумеется, она должна совпадать с тем, что подразумевает описание данного растра, в сулчае с Ландсатом это обычно какая-либо зона UTM. Описание проекции, в том числе номер зоны, можно найти в сопроводительной документации на FTP. После загрузки в правильно настроенный датафрейм растр также приобретает описание проекции. Оно записывается в файл .AUX, и хранится вместе с растром. Не удаляйте его, и ваш растр будет правильно отображаться уже в любой проекции. Обновить файл .AUX можно командой "Update Georeferencing".

Подготовка к публикации

Для художественных целей фотошоп может предложить массу полезностей. Поскольку удобно обрабатывать сушу и воду отдельно, как описано выше, важно разделить эти среды. Точнее сказать, придется "слить" воду и сушу, обработанные принципиально разными способами. Например, "вода" на нижепредставленном изображении была собрана комбинацией первых трех, видимых каналов, а суша - с использованием инфракрасных и с наведением 15-метровой "резкости". Сути задачи это не меняет - обычно для достижения максимального эффекта приходится сшивать два изображения точно по контуру, для чего на одном из них - например, водном - придется выделить и удалить всю сушу, или наоборот.

Фотошоп позволяет выделять поля по цвету десятками способов: особенно полезны "волшебная палочка", а также возможности вычитания и приложения новых ареалов к уже выделенным. Обратите внимание на настройку "Contigious" этого инструмента - она позволяет выделять поле на всем рисунке сразу, или только участки, примыкающие к точке приложения "волшебства". Однако и хорошо владея инструментами, не просто добиться правильного контура выделения - граница суши и моря обычно отчетлива, а вот озер и болот не всегда: плавни, зоны осушки, солончаки, изрезанность границы могут дать заметный диссонанс по береговым контурам после окончательной сборки. Почти всегда требуется его как-то замаскировать. Не сливайте вместе слои суши и воды в файле .psd до самого последнего момента, тогда маскировку можно навести с помощью эффектов слоя - Layer Blending. Самое логичное - придать воде эффект краевой отмывки ("Inner Glow"), а суше - приподнимания ("Bevel and Emboss"). Помимо маскировки береговых артефактов, это придает изображению изящную рельефность, что для равнинных территорий вполне заменяет ГИС-отмывку. Возможны, разумеется, и другие варианты, на усмотрение творческой личности :)

Дополнительно о художественных эффектах в оформлении карт можно прочитать здесь на нашем сайте, и здесь, в статье Дополнительные эффекты в оформлении карт. Некоторые идеи.

Готовый ландсат и свежие идеи

Кроме "сырых" каналов, можно раздобыть и готовые снимки ландсат, собранные, расцвеченные, и даже с улучшенной четкостью. Они также бесплатны. Их можно найти там же, по ссылкам в начале статьи: обратите внимание на наборы JPEG2000, а также Mosaic_Landsat - это они и есть. Из-за больших размеров при их публикации используется сжатие с потерями, что дает заметные "помехи". Не всегда четко отработан восьмой канал... Баланс цвета также далек от совершенства, но надо признать, что попадаются и очень достойные варианты обработки. Словом, вам теперь решать - взять готовое блюдо или испечь шедевр из каналов-полуфабрикатов по своей особой рецептуре. Множество интересных идей по подготовке снимков "набросано" в здесь.

Geologic

Обсудить статью можно в отдельной теме на форуме GeoFAQ