Визуализация мультиспектрального спутникового изображения
Вы создадите проект ArcGIS Pro, изучите некоторые основные понятия, связанные со спектральным разрешением, и начнете изучать спутниковые снимки региона Бранденбург в Германии.
Настройка проекта
Сначала вы загрузите проект, содержащий все данные для этого руководства, и откроете его в ArcGIS Pro.
- Загрузите файл Brandenburg_spectral_resolution.zip и найдите загруженный файл на своем компьютере.
Примечание:
Большинство веб-браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.
- Щелкните правой кнопкой файл Brandenburg_spectral_resolution.zip и извлеките данные в подходящее расположение на вашем компьютере, например в папку на диске C:.
- Откройте извлеченную папку Brandenburg_spectral_resolution. Дважды щелкните Brandenburg_spectral_resolution.aprx, чтобы открыть проект в ArcGIS Pro.
- При появлении запроса войдите в свою учетную запись ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
Откроется проект.
Он содержит несколько карт, которые вы будете использовать в этом руководстве. Первая карта с именем Spectral bands отображается сейчас. Она охватывает территорию к югу от Берлина - земли Бранденбург, Германия. На данный момент она содержит только базовую карту World Topographic Map по умолчанию.
Узнайте больше об электромагнитном спектре и спектральном разрешении
Прежде чем начать изучать спутниковые снимки региона Бранденбург, вы изучите некоторые понятия, необходимые для понимания того, что такое спектральное разрешение.
Электромагнитный спектр
Электромагнитный (ЭМ) спектр состоит из диапазона длин волн. Люди видят свет в видимом диапазоне, поскольку наши глаза имеют рецепторы, чувствительные к красному, зеленому и синему цветам. Электрооптические сенсоры, например сенсоры спутников, воздушных и беспилотных летательных аппаратов, могут улавливать видимый световой диапазон, а также диапазоны, которые человеческий глаз воспринимать не может: ближний инфракрасный диапазон и коротковолновый инфракрасный диапазон.
Спектральные каналы
Сенсоры изображений фиксируют части этих длин волн, называемые спектральными каналами. Примерами каналов являются Синий, Зеленый, Красный, Ближний инфракрасный и Коротковолновый инфракрасный. Каждый спектральный канал хранится в виде отдельного растра (или сетки пикселов). Собранные вместе, каналы образуют целостное изображение. На следующей диаграмме показаны три спектральных канала из электромагнитного спектра, которые регистрируются и сохраняются в виде трех отдельных растров.
Спектральное разрешение
Спектральное разрешение характеризует способность сенсора различать различные длины волн. Сенсоры, улавливающие большее количество спектральных каналов, позволяют получать изображения с более высоким спектральным разрешением. Обычно, когда датчик фиксирует больше каналов, эти каналы также становятся уже и содержат более точную информацию. Существует три основных типа изображений в зависимости от количества каналов, перечисленных в диапазоне от более низкого до более высокого спектрального разрешения:
- RGB (красный, зеленый, синий) – 3 канала
- Мультиспектральные – обычно от 4 до 13 каналов
- Гиперспектральные – сотни или даже тысячи очень узких каналов
На следующей диаграмме показано стилизованное представление (1) RGB, (2) мультиспектральных и (3) гиперспектральных изображений.
Например, ручная камера обычно улавливает RGB каналы для создания традиционных цветных фотографий. Многие датчики изображений наблюдения Земли являются мультиспектральными. Некоторые усовершенствованные датчики изображения Земли являются гиперспектральными.
Изображения с более высоким спектральным разрешением содержат больше информации и могут предоставить массу интересных сведений о наблюдаемом ландшафте. Например, их можно использовать для различения разных видов деревьев или для определения того, являются ли некоторые из этих деревьев здоровыми или больными.
В оставшейся части этого урока вы сосредоточитесь на мультиспектральных снимках. Вы изучите изображения с трех спутниковых сенсоров: Sentinel-2, PlanetScope и Landsat 8. Вы узнаете об их спектральном разрешении и о том, как работать со спектральными каналами.
Примечание:
Хотя гиперспектральные снимки выходят за рамки данного руководства, вы можете подробнее ознакомиться с темой на странице документации Гиперспектральные изображения в ArcGIS или посмотреть пример подготовки и анализа гиперспектральных изображений в статье Map Oaks Using AVIRIS Hyperspectral Imagery.
Изучение мультиспектрального изображения Sentinel-2
Теперь вы начнете изучать снимок Sentinel-2. Снимки Sentinel-2 содержат 13 спектральных каналов. Некоторые из них видны человеческому глазу (Синий, Зеленый и Красный), а некоторые — нет, например, Побережья и аэрозоли, Красный край, Ближний инфракрасный и Коротковолновый инфракрасный диапазоны. На следующей схеме показано, где в электромагнитном спектре находятся 13 каналов с длиной волны от 400 до 2400 нанометров.
Это список этих каналов, содержащий их номера и названия:
- Канал 1 — Побережья и аэрозоли
- Канал 2 — Синий
- Канал 3 — Зеленый
- Канал 4 — Красный
- Канал 5 — Красный край растительности
- Канал 6 — Красный край растительности
- Канал 7 — Красный край растительности
- Канал 8 — Ближний инфракрасный
- Канал 8A — Ближний инфракрасный узкий
- Канал 9 — Водяной пар
- Канал 10 — Коротковолновый инфракрасный (SWIR) — Перистые облака, используется для обнаружения перистых облаков
- Канал 11 — Коротковолновый инфракрасный
- Канал 12 — Коротковолновый инфракрасный
Примечание:
Sentinel-2 — спутник Европейского космического агентства. Он был запущен в 2015 году и получает снимки со спектральным разрешением в 13 спектральных каналов, некоторые из которых характеризуются пространственным разрешением в 10 метров. Снимки охватывают практически всю сушу Земли, причем каждое место снимается с временным разрешением как минимум раз в пять дней. Изображения Sentinel-2 находятся в свободном доступе и могут быть загружены через Copernicus Data Space Ecosystem.
Вы посмотрите на снимок Sentinel-2, предоставленный вместе с проектом, и определите его спектральные каналы.
- Щелкните вкладку Вид на ленте. В группе Окна щелкните Панель Каталог.
- На панели Каталог разверните Папки, Brandenburg_spectral_resolution и папку Imagery.
Папка Imagery содержит три изображения. В данный момент вы работаете со снимком Sentinel_2_2024_08_13.tif.
- Раскройте Sentinel_2_2024_08_13.tif и изучите спектральные каналы, которые он содержит.
В этом изображении каналы названы B + номер канала. При осмотре обратите внимание, что это изображение содержит все каналы Sentinel-2, за исключением канала 10 - Cirrus (Перистые облака), который используется только для обнаружения облаков. Итак, представлены 12 каналов.
Визуализация отдельных спектральных каналов
Вы визуализируете два спектральных канала Sentinel-2 и сравните их. Вы также узнаете о понятии отражательной способности. Сначала вы добавите на карту Красный (B4) канал.
- Щелкните правой кнопкой B4 и выберите Добавить к текущей карте.
На карте появится Красный канал, отображенный в серых тонах, с диапазоном от белого до черного.
Примечание:
Исходное изображение Sentinel-2 намного больше, но для нужд этого руководства оно было обрезано до меньшего экстента.
Чтобы лучше понять, что вы видите, полезно узнать об отражательной способности. Когда солнечный свет в определенном диапазоне длин волн достигает поверхности Земли, часть его поглощается, а часть отражается обратно в космос. Датчик изображений улавливает часть отраженного света, как показано на следующих графиках.
Графики, показывающие (1) солнечный свет, (2) поглощенный свет, (3) свет, отраженный и захваченный сенсором. Количество отраженного света в каждом спектральном канале может быть различным в зависимости от физических и химических свойств материала на земной поверхности (растительность, почва, горные породы, вода и т.д.). Например, хлорофилл в растениях, ответственный за фотосинтез, сильно поглощает синие и красные волны, но отражает зеленые волны и еще сильнее - ближнее инфракрасное излучение. Датчик фиксирует значения отражательной способности света, отраженного в различных диапазонах по всей изображаемой области.
- Обратите внимание на красный канал, отображаемый на вашей карте.
В этом канале области, которые хорошо отражают свет в красном диапазоне длин волн, характеризуются самыми высокими значениями отражательной способности и отображаются в белых и светло-серых тонах. Это касается застроенных территорий, например аэропорт в форме буквы Н в верхней центральной части изображения. Области, поглощающие большую часть света в красном диапазоне длин волн, имеют самые низкие значения отражательной способности и отображаются черными и темно-серыми. Это касается лесов и водоемов. Вы теперь добавите на карту Ближний инфракрасный (B8) диапазон.
- На панели Каталог щелкните правой кнопкой B8 и выберите Добавить к текущей карте.
На карте появится Ближний инфракрасный канал, отображенный в серых тонах. Однако в этот раз снимок выглядит немного по-другому. Объектами с самыми высокими значениями отражательной способности являются трава и сельскохозяйственные поля (белые тона). Объекты с самыми низкими значениями отражательной способности – водоемы (черные тона).
Вы сравните каналы, используя инструмент Спрятать.
- На панели Содержание должен быть выбран выбран слой Sentinel_2_2024_08_13.tif_B8.
- Щелкните на ленте вкладку Растровый слой. В группе Сравнить щелкните Спрятать.
- На карте перетащите курсор сверху вниз, чтобы скрыть слой Sentinel_2_2024_08_13.tif_B8 и открыть под ним слой Sentinel_2_2024_08_13.tif_B4. Детально изучите разницу между двумя слоями.
Свет отражается от материалов в разном количестве в зависимости от диапазона длин волн. В результате спектральные каналы позволяют выявить различные объекты и явления, находящиеся за пределами того, что может увидеть человеческий глаз.
- Когда закончите изучение, щелкните вкладку Карта. В группе Навигация щелкните кнопку Исследовать, чтобы выйти из режима спрятать.
Визуализация композитных изображений
Вся мощь мультиспектральных изображений раскрывается, когда вы добавляете на карту весь снимок со всеми спектральными каналами сразу. Далее вы сделаете это и узнаете, как создавать композитные изображения, комбинируя различные спектральные каналы.
- На панели Каталог щелкните правой кнопкой Sentinel_2_2024_08_13.tif и выберите Добавить к текущей карте.
Примечание:
Может существовать множество различных форматов файлов изображений. В данном случае изображение создается из одного файла TIFF, который содержит все 12 спектральных каналов. Иногда каждый спектральный канал представлен в виде отдельного файла TIFF, а файл метаданных, называемый, например, MTL.txt, MTL.xml или MTD_MSILxx.xml, содержит информацию для правильного отображения изображения. Для таких форматов вы добавите изображение на карту, щелкнув правой кнопкой файл метаданных и выбрав Добавить к текущей карте.
Изображение появится на панели Содержание и на карте.
Доступны все спектральные каналы. Однако из-за ограниченных возможностей человеческого глаза (трихроматизм) невозможно визуализировать их все одновременно. Три канала объединены для создания цветного изображения, называемого композитным или синтезированным изображением.
Примечание:
Подробнее о том, как человеческий глаз воспринимает свет, читайте в статье Преломление и смешивание света.
Снимки отображаются с использованием Красного, Зеленого и Синего (RGB) каналов, и вы можете выбрать любое сочетание трех спектральных каналов для их отображения через эти каналы. Следующая диаграмма иллюстрирует то, как это работает:
Как создается синтезированное изображение: (1) выберите любые три канала мультиспектрального изображения для отображения; (2) назначьте их красному, зеленому или синему каналам отображения в желаемом порядке; (3) получите композитное изображение. В настоящий момент снимок на карте показывает по умолчанию Красный (B4), Зеленый (B3) и Синий (B2) каналы через красный, зеленый и синий каналы, соответственно. Эта комбинация каналов называется Естественный цвет и приблизительно соответствует тому, каким местность видит человеческий глаз. Вы поэкспериментируете с другими комбинациями каналов, но сначала настроите общий вид снимка: вы увеличите его яркость, поскольку сейчас он слишком темный.
- На панели Содержание должно быть выбрано изображение Sentinel_2_2024_08_13.tif.
Легенда слоя указывает текущую комбинацию каналов.
- Щелкните на ленте вкладку Растровый слой. В группе Улучшение для параметра Яркость слоя введите значение 20 и нажмите Enter.
Примечание:
Другие настройки Улучшения, Контраст слоя Гамма слоя, также можно использовать для настройки внешнего вида изображения. Узнайте об этих и многих других опциях рендеринга изображений на страницах Оформление изображений и Изменение символов изображений. Подробнее об опциях рендеринга изображений вы узнаете в следующем руководстве, посвященном Радиометрическому разрешению.
Изображение обновится, и его тона станут светлее.
Затем вы измените комбинацию каналов.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой изображение Sentinel_2_2024_08_13.tif и выберите Символы.
- На панели Символы для параметра Основные символы должно быть выбрано RGB. Убедитесь в том, что Красный, Зеленый и Синий каналы в настоящее время отображают спектральные каналы B4 (Красный), B3 (Зеленый) и B2 (Синий), как и ожидалось.
Затем вы отобразите комбинацию Цветного инфракрасного диапазона, состоящую из каналов B8 (Ближний инфракрасный), B4 (Красный) и B3 (Зеленый).
- Разверните ниспадающий список Красный. В списке 12 каналов Sentinel-2 выберите B8.
- В качестве Зеленого выберите B4. В качестве Синего выберите B3.
Изображение на карте обновится, отображая растительность в ярко-красных тонах, застроенные или голые участки земли в голубоватых или коричневатых, а воду - в темно-синих.
Если отображаются какие-либо каналы, кроме Красного, Зеленого и Синего, ландшафт может отображаться в необычной цветовой гамме, называемых ложными цветами. Это мощный метод, позволяющий человеческому глазу визуализировать диапазоны длин волн, которые обычно невидимы. Комбинация Инфракрасный цвет особенно полезна для подсветки растительности и контроля ее здоровья. Теперь вы попробуете другую комбинацию, обычно под названием Сельское хозяйство, состоящую из каналов B11 (Коротковолновый инфракрасный 1), B8 (Ближний инфракрасный) и B2 (Синий).
- На панели Символы для Красного выберите B11, для Зеленого — B8, а для Синего — B2.
Эта комбинация каналов является одной из самых универсальных и отлично подходит для четкого различения различных типов почвенно-растительного покрова: растительность — ярко-зеленый цвет, вода — темно-синий цвет, застройка — розовые тона, а голая земля — светло-оранжевый цвет.
Вы переключитесь на комбинацию каналов Естественный цвет.
- На панели Символы создайте комбинацию B4, B3, B2.
Некоторые объекты, например озеро и окружающую его растительность, трудно различить в Естественном цвете, но они четко выделяются в комбинации Сельское хозяйство.
Озеро и его окрестности показаны в комбинациях каналов Естественный цвет (слева) и Сельское хозяйство (справа). Вы экспериментировали с комбинациями каналов Естественный цвет, Инфракрасный цвет и Сельское хозяйство, но существует множество других возможных комбинаций, например, Геология (B12, B11, B2) для выделения геологических формаций или Батиметрия (B4, B3, B1), используемая для изучения побережья.
К настоящему моменту вы узнали нескольких важных терминов: спектр электромагнитного излучения, спектральные каналы, спектральное разрешение, различные типы изображений (RGB, мультиспектральные и гиперспектральные), композитные изображения и общие комбинации каналов, некоторые из которых в цветах false. Вы также начали изучать мультиспектральные изображения Sentinel-2, отображать их и экспериментировать с разными комбинациями каналов, чтобы подчеркнуть различные особенности ландшафта.
О спектральных сигнатурах
Теперь вы изучите вариации спектральных каналов в интерактивном режиме и узнаете о спектральных сигнатурах и диаграммах спектрального профиля. Теперь вы сравните два снимка с разным спектральным разрешением.
Интерактивное изучение вариации спектральных каналов
Чтобы ознакомиться с вариацией значений отражательной способности во всех спектральных каналах, вы воспользуетесь инструментом Информация об изображении, который предоставляет интерактивную информацию на уровне пикселов.
- На панели Содержание должно быть выбрано изображение Sentinel_2_2024_08_13.tif и отображаться оно должно с помощью комбинации каналов Естественный цвет (B4, B3, B2).
- На ленте на вкладке Изображение в группе Инструменты щелкните Информация об изображении.
Появится панель Информация об изображении.
- На карте наведите курсор на ярко-зеленое сельскохозяйственное поле со здоровой, густой растительностью.
На панели Информация об изображении отображается график, показывающий значение отражательной способности для каждого канала в местоположении данного пиксела. Для этого сельскохозяйственного поля значение в Ближнем инфракрасном (NIR) канале очень высокое, а в Красном (обозначенный красным) — очень низкое, что характерно для растений, богатых хлорофиллом, как объяснялось ранее. Этот тип графика называется диаграммой спектрального профиля.
- На карте наведите курсор на различные типы наземного покрова: голую землю (бежевую или светло-коричневую), лес (темно-зеленую) и застроенную территорию (белую или светло-серую). Наблюдайте за тем, как интерактивно изменяются значения отражательной способности.
Например, для голой земли значение отражательной способности в красном канале теперь будет выше, а значение отражения в NIR – ниже, чем то, что вы видели для сельскохозяйственного поля. Два Коротковолновых инфракрасных канала (SWIR) также характеризуются более высокими значениями.
- Посмотрите на несколько пикселей, представляющих сельскохозяйственные поля по всему изображению. Напротив, посмотрите на несколько пикселей, представляющих голую землю.
Вы заметите, что каждый тип растительного покрова, по-видимому, всегда создает на графике схожую узнаваемую кривую. Это связано с тем, что различные материалы, как правило, имеют уникальные характеристики отражательной способности на разных длинах волн электромагнитного спектра. Эти явные закономерности называются спектральными сигнатурами и могут быть описаны как отпечатки пальцев материала, основанные на том, как он взаимодействует со светом. Спектральные сигнатуры позволяют различать различные типы земного покрова (травянистые поля, леса, водоемы, застройка и так далее). Аналогичным образом, больные посевы или редкие леса будут характеризоваться своей спектральной сигнатурой, которая позволит отличить их от здоровых посевов или плотных лесов. Большинство методов анализа изображений используют эти предсказуемые закономерности для обнаружения ценной информации о местности.
Изучение диаграммы спектрального профиля
Вы более подробно сравните спектральные сигнатуры различных типов наземного покрова, используя подготовленную для вас диаграмму спектральных профилей. Вы переключитесь на вторую карту проекта.
- Над картой перейдите на вкладку Спектральные профили.
Эта карта содержит то же самое изображение Sentinel-2, которое вы изучали, но к нему добавлена диаграмма спектрального профиля.
- На панели Содержание в разделе Диаграммы щелкните правой кнопкой Спектральный профиль – Sentinel-2 и выберите Открыть.
Появится панель спектрального профиля, отображающая график Спектральный профиль Sentinel-2.
Эта диаграмма спектрального профиля содержит кривые значений коэффициента отражения для пяти пикселов на карте: Лес, Вода, Застройка, Луг и Голая земля. По оси X перечислены каналы Sentinel-2, а по оси Y указано количество отраженного света, улавливаемого сенсором.
Соответствующие точки вы можете увидеть на карте.
Здесь снова каждый тип почвенно-растительного покрова характеризуется своей собственной, специфической кривой на графике, и теперь вы можете рассмотреть ее более подробно. Вы можете распознать Луг с очень низкими значениями коэффициента отражения для Красного канала (B4), очень высокими в ближнем инфракрасном (B8) и относительно низкими в каналах SWIR (B11 и B12). И напротив, значения отражательной способности Голой земли постоянно растут от B1 до B12, а у Воды очень низкие значения отражательной способности для всех каналов.
Примечание:
Поскольку длины волн красного и ближнего ИК-диапазона очень важны для мониторинга растительности, снимки Sentinel-2 содержат несколько каналов в этих диапазонах. Это каналы B5, B6, B7 (красные краевые каналы), B8 (основной ближний ИК канал) и 8A (узкий ближний ИК канал). Эти каналы предоставляют большой объем информации, которую можно использовать в различных специализированных приложениях в сельском хозяйстве и исследованиях окружающей среды.
Теперь вы добавите дополнительные точки на график. Сначала вы упростите график.
- На панели Свойства диаграммы в разделе Спектральные профили снимите отметки Лес, Вода и Застройка.
На графике останутся только кривые Луг и Голая земля.
- На панели Свойства диаграммы для Задать область интереса щелкните кнопку Точка.
Ваш курсор примет вид перекрестия.
- На карте щелкните по выбранному вами лугу или сельскохозяйственному полю (ярко-зеленые области).
Точка добавится на карту, а кривая спектрального профиля для этого конкретного пиксела появится на графике.
- Аналогичным образом добавьте новую точку для голой земли (бежевые области).
На графике кривые для вашего нового поля и точек голой земли должны быть очень похожи на ранее существовавшие, подтверждая, что типы почвенно-растительного покрова — поле и голая земля — имеют свою собственную, типичную, спектральную характеристику.
Примечание:
Цвета назначаются случайным образом и на вашем графике могут быть другими.
- При желании можно добавить точки для других типов почвенно-растительного покрова (Лес, Вода, Застройка) и сравнить их с имеющимися кривыми спектрального профиля на графике.
- Закончив, закройте панель графика спектрального профиля.
Примечание:
Если вы хотите создать диаграмму спектрального профиля с нуля для своего изображения, на панели Содержание щелкните правой кнопкой снимок, выберите Построить диаграмму и Спектральный профиль. Более подробно об опциях Спектрального профиля.
Чтобы узнать, как методы анализа изображений используют спектральные сигнатуры для получения ценной информации о местности, изучите следующие руководства:
- Оценка ущерба от града на кукурузных полях с помощью спутниковых снимков (спектральные индексы и выявление изменений)
- Оценка гарей на спутниковых изображениях (комбинации каналов и спектральные индексы)
- Вычисление водонепроницаемых поверхностей по спектральным снимкам (классификация с обучением)
- Классификации почвенно-растительного покрова для измерения исчезающих озер (классификация без обучения)
- Извлечение данных высокого разрешения наземного покрова с помощью GeoAI (глубокое обучение)
Сравнение изображений с разным спектральным разрешением
Теперь вы сравните два космических снимка с разным спектральным разрешением. Вы переключитесь на третью карту проекта.
- Над картой перейдите на вкладку Сравнение изображений.
На этой карте содержится изображение Sentinel-2, которое вы изучали, а также новое изображение PlanetScope_2024_08_13.tif. Это спутниковый снимок PlanetScope, полученными компанией по съемке Земли Planet Labs. Он был сделан 13 августа 2024 года, в тот же день, что и снимок Sentinel-2, и вырезан по такому же экстенту.
Примечание:
Готовые к анализу изображения PlanetScope создаются Planet Labs. PlanetScope — это совокупность сотен спутников, которая была развернута в 2014 году и получает изображения с разрешением 3 метра/пиксел. Изображения покрывают почти всю территорию Земли, и каждое место снимается почти ежедневно.
Вы проверите, какие спектральные каналы есть в этом изображении.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой изображение PlanetScope_2024_08_13.tif и выберите Символы.
- На панели Символы для Красного канала раскройте ниспадающий список.
Есть четыре спектральных канала: Синий, Зеленый, Красный и Ближний инфракрасный.
По сравнению со снимком Sentinel-2, который состоит из 12 каналов, снимок PlanetScope имеет более низкое спектральное разрешение. Например, он не содержит коротковолновых инфракрасных каналов В настоящее время он отображается с использованием комбинации цветовых каналов Естественный цвет (Красный, Зеленый, Синий), как и снимок Sentinel-2.
- На панели Содержание включите и выключите снимок PlanetScope_2024_08_13.tif, чтобы сравнить два изображения.
В комбинации каналов Естественный цвет два изображения очень похожи. Однако поскольку снимок PlanetScope содержит только четыре канала, у него имеется меньше комбинаций каналов, чем у снимка Sentinel-2. Помимо Естественного цвета (Красный, Зеленый, Синий), другой важной комбинации каналов является Инфракрасный цвет (Ближний ИК, Красный, Зеленый). Вы переключитесь на него.
- На панели Символы установите для Красного канала NIR, для Зеленого — Красный, а для Синего — Зеленый.
На карте изображение PlanetScope отобразится комбинацией Инфракрасный цвет. Как вы узнали ранее, это сочетание подходит для изучения здоровья растительности.
Другие комбинации каналов, например Сельское хозяйство, Геология или Батиметрия, невозможно получить только с Синим, Зеленым, Красным и Ближним ИК каналами. Вы вернетесь к Естественному цвету.
- На панели Символы вернитесь к Естественному цвету (Красный, Зеленый, Синий).
Вы сравните диаграммы спектрального профиля двух изображений.
- На панели Содержание в разделе PlanetScope_2024_08_13.tif щелкните правой кнопкой Спектральный профиль и выберите Открыть.
- Откройте диаграмму Спектральный профиль - Sentinel-2.
Вы посмотрите на эти графики рядом.
- Перетащите вкладку Спектральный профиль — Sentinel-2 на правую сторону места для прикрепления.
Примечание:
Когда вы перетаскиваете панель – что отображается синей тенью – места для прикрепления появляются в центре вида таблицы. Каждая из них показывает область, куда можно поместить панель.
Два графика теперь отображаются рядом.
- При необходимости измените размер панелей графика таким образом, чтобы они были примерно одинаковой ширины.
- Обратите внимание, чем эти два графика отличаются друг от друга.
Для облегчения сравнения помните, что каналы PlanetScope соответствуют следующим четырем каналам Sentinel-2:
- Синий—B2
- Зеленый—B3
- Красный—B4
- Ближний инфракрасный—B8
Примечание:
Эти два изображения были обработаны с использованием немного разных методов, что и является объяснением разницы в значениях по оси Y. Однако их относительные значения все равно полезны для сравнения.
Оба графика отображают кривые значений отражения для одних и тех же пяти пикселов на карте. Однако из-за более низкого спектрального разрешения снимок PlanetScope отображает более простые кривые, содержащие меньше информации, чем снимок Sentinel-2. Это означает, что он не сможет поддерживать столько же рабочих процессов анализа. Например, рабочие процессы, основанные на наличии коротковолновых инфракрасных каналов и каналов красного края, будут невозможны.
Однако есть свои плюсы и минусы использования снимков с более высоким и более низким спектральным разрешением, которые обобщены в следующей таблице:
Более высокое спектральное разрешение Более низкое спектральное разрешение - Поддерживает больше комбинаций каналов
- Поддерживает более сложный анализ
- Позволяет более тонко различать материалы, виды растительности и т.д.
- Может занимать значительно меньше места для хранения
- Может иметь более высокое пространственное разрешение (то есть показывать больше деталей на местности)
- Может иметь более высокое временное разрешение (то есть более высокий цикл повторных съемок)
Например, у PlanetScope более высокое пространственное разрешение, чем у Sentinel-2: каждый пиксел представляет собой квадрат размером 3 на 3 метра на земле против 10 на 10 метров. Также у него более высокое временное разрешение: каждое место посещается почти ежедневно, а не каждые пять дней.
Выбор изображений более высокого или более низкого спектрального разрешения зависит от их предполагаемого использования. Также возможно совместное использование снимков обоих типов. Например, вы можете выполнять более сложный анализ каждые несколько месяцев с использованием изображений более высокого спектрального разрешения и более частые и быстрые проверки с использованием изображений более низкого спектрального разрешения.
Примечание:
Существует большое разнообразие сенсоров, и у каждого из них свое спектральное разрешение. Чтобы узнать больше о поддерживаемых ArcGIS Pro спутниковых сенсорах и узнать о спектральных каналах, которые они содержат, обратитесь к странице документации Типы растров спутниковых сенсоров. См. аналогичный список для мультиспектральных камер БПЛА. Также поддерживаются различные типы аэрофотоснимков.
- Закройте две диаграммы спектрального профиля.
В этой части руководства вы изучили информацию о спектральных сигнатурах и диаграммах спектральных профилей. Вы изучили вариации спектральных каналов в интерактивном режиме, познакомились подробно с диаграммой спектрального профиля и сравнили два изображения различного спектрального разрешения.
Изменение спектрального разрешения снимков
Получив новое мультиспектральное изображение, вы должны знать, как собирать информацию о его каналах. Вы также должны знать, как преобразовать его спектральное разрешение, то есть изменить количество его каналов. Вы узнаете, как это сделать, работая со спутниковым снимком Landsat-8.
Изучение снимка Landsat 8
Сначала вы познакомитесь со снимком Landsat 8. Вы переключитесь на четвертую карту проекта.
- Над картой щелкните вкладку Извлечь каналы.
Карта Извлечь каналы содержит Landsat_8_2024_08_31.tif — снимок Landsat-8, сделанный 31 августа 2024 года. Он обрезан по ому же экстенту, что и предыдущие изображения, и в настоящее время отображается в Естественном цвете.
Примечание:
Landsat 8 — спутник Геологической службы США и НАСА, запущенный в 2013 году. Он создает мультиспектральные изображения в 11 спектральных каналах, пространственное разрешение большинства из которых составляет 30 метров. Изображения покрывают почти всю сушу Земли, и каждое местоположение снимается каждые 16 дней (или каждые восемь дней, если объединить их со снимками Landsat 9). Landsat — самая продолжительная программа получения спутниковых изображений, предоставляющая данные непрерывных наблюдений Земли более чем за пять десятилетий.
Снимки Landsat находятся в свободном доступе. Узнайте, как загрузить собственные изображения Landsat.
Ниже приводится список спектральных каналов Landsat 8:
- Канал 1 — Побережья и аэрозоли
- Канал 2 — Синий
- Канал 3 — Зеленый
- Канал 4 — Красный
- Канал 5 — Ближний инфракрасный (NIR)
- Канал 6 — Коротковолновый инфракрасный порт (SWIR) 1
- Канал 7 — Коротковолновый инфракрасный (SWIR) 2
- Канал 8 —Панхроматический (широкий канал, охватывающий большую часть видимого диапазона света)
- Канал 9 — Перистые облака (используется для обнаружения перистых облаков)
- Канал 10 — Термальный инфракрасный 1 (измеряет температуру поверхности)
- Канал 11 — Термальный инфракрасный 2 (измеряет температуру поверхности)
Примечание:
Узнайте больше о каналах Landsat 8.
На следующем графике показано расположение каналов Landsat 8 в электромагнитном спектре по сравнению с каналами Sentinel-2 и PlanetScope.
Хотя у Sentinel-2 в целом больше каналов, чем у Landsat 8, в том числе несколько каналов Красного края и Ближних инфракрасных, одной из сильных сторон Landsat 8 является то, что он содержит тепловые инфракрасные каналы, которые могут измерять температуру поверхности.
Когда вы получаете или загружаете изображения, важно собрать информацию о его каналах. Обычно для этого нужно изучить документацию по сенсору, а также изучить изображение в ArcGIS Pro. Один из способов сделать это — заглянуть в окно Свойства слоя.
- Щелкните правой кнопкой Landsat_8_2024_08_31.tif и выберите Свойства.
- В окне Свойства слоя щёлкните Источник. Раскройте Информацию о растре и найдите линию Число каналов.
У снимка Landsat 8 семь каналов.
- Раскройте Метаданные канала.
На этом снимке Landsat 8 все 11 каналов недоступны, поскольку включены только те, которые называются семью основными каналами отражения (sr_band1 – sr_band7). Это Побережья и аэрозоли, Синий, Зеленый, Ближний инфракрасный, Коротковолновый инфракрасный 1 и Коротковолновый инфракрасный 2, соответственно.
Примечание:
В окне Свойства слоя содержится важная информация о снимке. Для получения подробной информации см. страницу Свойства набора растровых данных.
Теперь вы изучили два способа сбора информации о количестве каналов изображений: с помощью панели Символы и окна Свойства слоя.
- Закройте окно Свойства слоя.
Изменение числа каналов
В некоторых случаях вам может понадобиться сократить количество каналов вашего мультиспектрального изображения. Например, если вы знаете, что будете выполнять анализ, для которого потребуются только определенные каналы, исключение других позволит сэкономить место на диске. Это особенно актуально, если вы собираетесь анализировать большое число мультиспектральных изображений. Инструментам анализа, которые вы будете использовать, также могут понадобиться только определенные каналы, организованные в определенном порядке.
Примечание:
Например, при извлечении информации из изображений с использованием глубокого обучения предварительно обученным моделям GeoAI обычно требуются входные изображения, аналогичные данным, на которых они обучались. Часто это трехканальные изображения: Красный, Зеленый и Синий, организованные именно в таком порядке. Подробнее см. руководство Выявление объектов с помощью предварительно обученной модели.
Затем вы узнаете о том, как самостоятельно вносить эти изменения. На основе вашего 7-канального снимка Landsat вы решаете, что вам понадобятся только следующие пять каналов: sr_band2 (Синий), sr_band3 (Зеленый), sr_band4 (Красный), sr_band5 (Ближний ИК), and sr_band7 (Коротковолновый инфракрасный 1). Вы создадите изображение, содержащее только эти пять каналов, используя растровую функцию Извлечь каналы и инструмент Экспорт растра.
- На ленте щелкните вкладку Изображения. В группе Анализ щелкните Функции растра.
- На панели Функции растра в окне поиска введите Извлечь каналы. Щелкните Извлечь каналы.
- Задайте следующие параметры функции Извлечь каналы:
- В качестве Растра выберите Landsat_8_2024_08_31.tif.
- Для параметра Метод выберите Названия каналов.
- Для параметра Комбинация удалите текущий текст.
- Раскройте ниспадающий список Канал. Выберите sr_band2, sr_band3, sr_band4, sr_band5 и sr_band7.
Поле Комбинация заполнится названиями этих пяти каналов.
- Щелкните Создать новый слой.
Новый слой с именем Извлечь каналы_Landsat_8_2024_08_31.tif появится на панели Содержание. Вы проверите, действительно ли получили нужный вам результат.
Примечание:
На карте новый слой имеет голубоватый оттенок, что связано с комбинацией каналов по умолчанию. Вы исправите эту проблему позже в ходе рабочего процесса.
- На панели Содержание в разделе Извлечь каналы_Landsat_8_2024_08_31.tif щелкните правой кнопкой символ Красный.
Появится список доступных на изображении каналов.
Как и ожидалось, перечислены пять каналов (sr_band2, sr_band3, sr_band4, sr_band5 и sr_band7).
Слои, созданные функциями растра, вычисляются динамически в оперативной памяти. Это значительно ускоряет время обработки, но данные не сохраняются на диске. В этом случае вы хотите сохранить полученный слой в файл TIFF на своем компьютере. Вы сделаете это инструментов Экспорт растра.
- Щелкните правой кнопкой Извлечь каналы_ Landsat_8_2024_08_31.tif, выберите Данные и Экспорт растра.
- На панели Экспорт растра, рядом с опцией Выходной набор растровых данных щелкните кнопку Обзор.
- В окне Выходное местоположение перейдите в раздел Папки > Brandenburg_spectral_resolution > Изображения. В качестве Имени введите Landsat_8_2024_08_31_5bands.tif. Щелкните Сохранить.
- На панели Экспорт растра примите значения по умолчанию для всех других параметров. Щелкните Экспорт.
Через несколько секунд новый снимок будет добавлен на карту.
- На панели Содержание в разделе Landsat_8_2024_08_31_5bands.tif щелкните правой кнопкой символ Красный и убедитесь в том, что перечислены нужные вам пять каналов.
Сейчас каналы сопоставлены каналам RGB в возрастающем порядке по умолчанию:
- Красный канал—sr_band2 или Синий канал
- Зеленый канал—sr_band3 или Зеленый канал
- Синий канал—sr_band4 или Красный канал
Такой порядок не слишком полезен и приводит к тому, что изображение приобретает синеватые тона. Вместо этого вы сформируете комбинацию каналов Естественный цвет (sr_band4, sr_band3, sr_band2).
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой символ Красный и выберите sr_band4.
- Щелкните правой кнопкой символ Синий и выберите sr_band2.
Отображение снимков обновится на комбинацию Естественный цвет. Синеватые тона исчезли, а участки голой земли приобрели более естественные коричневые и бежевые тона. В качестве альтернативы вы также можете переключиться на другие комбинации каналов, например Инфракрасный цвет (sr_band5, sr_band4, sr_band3) или Сельское хозяйство (sr_band7, sr_band5, sr_band2), по мере необходимости для более детального изучения изображений.
Примечание:
Иногда вы можете получить изображения, которые поставляются в виде набора отдельных файлов, по одному для каждого спектрального диапазона. В этом случае одним из вариантов является использование инструмента Объединить каналы для объединения этих файлов в один файл TIFF, состоящий из нескольких каналов, аналогичных изображениям, с которыми вы работали в этом руководстве.
Проверка вашего понимания
При желании попробуйте ответить на следующие вопросы о ключевых концепциях, которые вы изучили в этом руководстве. Просто скажите своими словами. Как бы вы объяснили эти концепции кому-то еще? Если вы не уверены, вернитесь к руководству и изучите соответствующие пояснения.
- Что такое спектральные каналы?
- Что такое спектральное разрешение?
- Мультиспектральные снимки – что это? Какие примеры спутниковых сенсоров, получающих мультиспектральные изображения, можно привести?
- Приведите примеры распространенных комбинаций каналов. Какие преимущества у каждой из них?
- Что представляет собой диаграмма спектрального профиля?
Углубленное изучение
При желании вы можете бросить себе вызов, выполнив больше заданий, чтобы продолжить обучение.
- Создайте диаграмму спектрального профиля для снимка Landsat. Как она соотносится с двумя другими диаграммами, которые вы видели ранее в руководстве?
- Создайте карту с использованием снимков Sentinel-2 и Landsat и визуализируйте их с использованием комбинации каналов Сельское хозяйство. Сравните два слоя: можете ли вы заметить на этих двух изображениях поля, на которых был собран урожай? Видите ли вы поля, на которых, похоже, выросла растительность?
- Используя снимок Sentinel-2 или Landsat, создайте диаграмму спектрального профиля для точек образцов, расположенных в различных водоемах этого района. Можете ли вы найти водоем с более высокими значениями в Зеленом канале, указывающими на наличие водорослей? Как, по-вашему, мутная вода, то есть вода, смешанная с почвой, может повлиять на спектральный профиль?
- Ознакомьтесь с некоторыми руководствами, иллюстрирующими различные типы анализа мультиспектральных изображений:
- Оценка ущерба от града на кукурузных полях с помощью спутниковых снимков (спектральные индексы и выявление изменений)
- Оценка гарей на спутниковых изображениях (комбинации каналов и спектральные индексы)
- Вычисление водонепроницаемых поверхностей по спектральным снимкам (классификация с обучением)
- Классификации почвенно-растительного покрова для измерения исчезающих озер (классификация без обучения)
- Извлечение данных высокого разрешения наземного покрова с помощью GeoAI (глубокое обучение)
В этом руководстве вы познакомились с понятиями спектрального разрешения, спектральных каналов, мультиспектральных изображений, отражательной способности, составного (синтезированного) изображения, комбинации каналов, спектральных сигнатур и диаграмм спектральных профилей. Вы отобразили спутниковые снимки с различными комбинациями каналов. Вы изучили диаграммы спектральных профилей и сравнили изображения различного спектрального разрешения. Наконец, вы узнали, как изменить количество спектральных каналов на снимке, чтобы подготовиться к более сложному анализу.
Больше подобных руководств вы можете найти в нашей развивающейся серии Изучение разрешения изображений.
