Registro de Imagens

O registro de uma imagem compreende uma transformação geométrica que relaciona coordenadas de imagem (linha, coluna) com coordenadas de um sistema de referência. No SPRING este sistema de referência é, em última instância, o sistema de coordenadas planas de uma certa projeção cartográfica. Como qualquer projeção cartográfica guarda um vínculo bem definido com um sistema de coordenadas geográficas, pode-se dizer então que o registro estabelece uma relação entre coordenadas de imagem e coordenadas geográficas.

Outros termos comuns para a designação do procedimento de registro são geocodificação e georreferenciamento. É importante, contudo, fazer uma distinção clara entre registro e correção geométrica. O processo de correção geométrica de imagens elimina as distorções geométricas sistemáticas introduzidas na etapa de aquisição das imagens, enquanto o registro apenas usa transformações geométricas simples - usualmente transformações polinomiais - para estabelecer um mapeamento entre coordenadas de imagem e coordenadas geográficas. Por isso , sugere-se que o registro seja sempre utilizado como uma técnica que busca refinar a qualidade geométrica de imagens com correção geométrica de sistema.

O registro é uma operação necessária para se fazer a integração de uma imagem à base de dados existente num SIG. Há muitos anos os projetos na área de sensoriamento remoto pressupõem que as imagens possam ser integradas aos dados extraídos de mapas existentes ou às medições de certas grandezas feitas diretamente no terreno. O registro também é importante para se combinar imagens de sensores diferentes sobre uma mesma área ou para se realizar estudos multi-temporais, caso em que se usam imagens tomadas em épocas distintas.

 

 

Operações na janela de registro do SPRING


Consulte também:
Sobre Imagens Digitais
Sobre Sensoriamento Remoto
Processamento de Imagens Digitais

Transformações polinomiais - pontos de controle

O uso de transformações polinomiais é bastante comum no registro de imagens. As transformações polinomiais fazem o vínculo entre coordenadas de imagem e as coordenadas no sistema de referência através de pontos de controle. Pontos de controle são feições passíveis de identificação na imagem e no terreno, ou seja, são feições homólogas cujas coordenadas são conhecidas na imagem e no sistema de referência. Cruzamentos de estradas, pistas de aeroportos e confluência de rios são candidatos naturais a pontos de controle.

A determinação dos parâmetros da transformação polinomial selecionada é feita através da resolução de um sistema de equações. Para que esse sistema de equações possa ser montado as coordenadas dos pontos de controle devem ser conhecidas tanto no referencial da imagem como no sistema de referência. As coordenadas de imagem (linha, coluna) são obtidas quando o usuário clica sobre a feição na imagem. As coordenadas de referência são usualmente obtidas através de mapas confiáveis que contenham as feições homólogas usadas como pontos de controle (modo Mesa na janela de registro). O SPRING também aceita medições feitas diretamente no terreno com GPS (modo Teclado). Dados vetoriais existentes e imagens georreferenciadas também podem ser usados como fontes de extração de coordenadas de referência (modo Tela).

Uma vez determinados os n pontos de controle e selecionada a transformação polinomial, um sistema de 2n equações é montado para resolver 6, 12 ou 20 parâmetros, dependendo do polinômio ser de 1o, 2o ou 3o grau. Assim, conclui-se que o número mínimo de pontos de controle é 3 para o polinômio de 1o grau, 6 para o polinômio de 2o grau e 10 para o polinômio de 3o grau (veja as equações para os polinômios de 1o e 2o graus na figura abaixo).

 

registro_esq.gif - 6063 Bytes


O número mínimo de pontos de controle representa a situação de um sistema de equações determinado, no qual o número de equações coincide com o número de incógnitas a calcular. Entretanto, como as coordenadas medidas dos pontos de controle estão sujeitas a erros, convém usar um número de pontos maior que o mínimo. Nesse caso, trabalha-se com um sistema de equações sobre-determinado, que tem mais equações que incógnitas e permite tratar e distribuir os erros de medição dos pontos de controle. Em termos práticos aconselha-se o uso de 6 pontos de controle para o polinômio de 1o grau, 10 pontos de controle para o polinômio de 2o grau e 14 pontos para o polinômio de 3o grau.

Deve-se ter em mente também que a distribuição dos pontos de controle na área a ser registrada é de suma importância, pois as transformações polinomiais tendem a se comportar adequadamente apenas na região onde se encontram os pontos de controle.

 

Registro

 

Imagens com correção geométrica de sistema

O SPRING pode reconhecer imagens de satélite com correção geométrica de sistema e tratá-las de modo especial durante o registro. É o caso das imagens TM do LANDSAT-5, ETM do LANDSAT-7, CCD do CBERS-2 e das imagens de alta resolução disponibilizadas no formato GEOTIFF. A correção de sistema baseia-se no uso de parâmetros físicos inerentes à situação de aquisição de cada imagem (efemérides e atitude da plataforma, sistema de imageamento do sensor e modelo de referência para a Terra). Como resultado obtém-se uma imagem em que os pixels já observam um posicionamento relativo condizente com o de um certo sistema de projeção cartográfica, restando, via de regra, uma translação residual oriunda da incerteza na posição do satélite. Trata-se de uma imagem cuja geometria interna está quase sempre bem resolvida e não necessita ser modelada por transformações polinomiais.

Uma vantagem potencial em se tratar especialmente as imagens com correção de sistema é poder usar poucos pontos de controle (na verdade apenas um já seria suficiente) para refinar a translação residual. Outra vantagem se relaciona ao fato de que os pontos de controle não precisam estar bem distribuídos por toda a área a ser registrada.

Quando uma imagem com correção de sistema é lida no módulo IMPIMA, gera-se um arquivo no formato GRIB que permite que a opção correção de sistema possa ser habilitada na etapa de registro. Assim, o usuário pode tratar de modo especial uma imagem com correção de sistema (botão de correção de sistema ativado), mas continua podendo tratá-la de forma convencional se assim o desejar (botão correção de sistema desativado). Esta mesma funcionalidade está presente na interface de Importação de Arquivos GRIB.

Com a opção de correção de sistema ativada, o SPRING acessa, no arquivo GRIB, a equação de navegação (relação entre coordenadas de imagem e coordenadas de projeção) oriunda da correção de sistema e passa a refinar as translações (em X e Y) dessa equação na medida em que os pontos de controle vão sendo adquiridos.

NOTA: Enfatiza-se aqui que apesar desta opção funcionar com um único ponto de controle, pode-se usar todos os bons pontos de controle que forem adquiridos.

 

Registro


Imagens CBERS-2 com correção geométrica de sistema

As imagens CBERS-2 selecionadas através do catálogo de imagens do INPE (www.dgi.inpe.br/CDSR) têm correção geométrica de sistema e estão, portanto, sujeitas às incertezas oriundas dos dados de efemérides e de atitude usados no processo de correção geométrica. Como as imagens do CBERS-2 estão sendo distribuídas gratuitamente à comunidade de usuários brasileiros, é oportuno enfatizar o estado atual da qualidade geométrica dessas imagens e descrever a melhor maneira de tratá-las através do módulo de registro do SPRING com o objetivo de eliminar o erro de posicionamento e refinar o erro interno.

A exatidão de posicionamento define quanto uma imagem com correção de sistema está fora de sua posição geográfica correta. As imagens CBERS-2 podem apresentar erros de posicionamento de até 10 km. Dados de efemérides imprecisos e aproximações na integração dos dados de atitude feita à bordo do satélite são os principais responsáveis pelo erro de posicionamento das imagens com correção de sistema. O registro das imagens elimina o erro de posicionamento. Convém lembrar que o registro seria necessário mesmo que o erro de posicionamento fosse de algumas centenas de metros.

A exatidão interna estabelece a possibilidade de integração de uma imagem com correção de sistema a mapas e a outros dados georreferenciados. Em outras palavras, o erro interno é o erro residual, aquele que não se consegue eliminar totalmente, quando se tenta sobrepor uma imagem a um mapa, ou seja, um erro interno pequeno significa uma boa sobreposição. O erro interno é de cerca de 90 m (4.5 pixels) para as imagens CCD, 250 m (3.125 pixels) para as imagens IRMSS e 700 m (2.7 pixels) para as imagens WFI. Como consequência, se a opção correção de sistema estiver ativa, esses valores de erro interno permanecem na imagem registrada. Por outro lado, testes realizados no INPE mostram que o registro das imagens através de uma transformação de afinidade (polinômio de 1o grau) permite o refinamento do erro interno, que cai para cerca de 24 m (1.2 pixel) para as imagens CCD, 112 m (1.4 pixel) para as imagens IRMSS e 416 m (1.6 pixel) para as imagens WFI. Portanto, se o registro for feito com o botão correção de sistema desativado e houver mais de 3 pontos de controle para o uso de um polinômio de 1o grau, consegue-se um bom resultado. Por isso, sugere-se, como regra geral para as imagens CBERS-2, que o Registro e a Importação de Arquivos GRIB  sejam feitos com o botão correção de sistema desativado.


Registro


Reamostragem por interpolação

Para calcular o novo valor de nível de cinza na imagem a ser registrada, o SPRING adota como métodos de interpolação as técnicas denominadas interpolação bilinear e alocação de vizinho mais próximo.

O interpolador de alocação de vizinho mais próximo atribui ao valor de nível de cinza do "pixel" da imagem corrigida, o mesmo valor do nível de cinza do "pixel" que se encontra mais próximo da posição a ser ocupada. Não há alteração no valor de nível de cinza. Por sua característica, pode ser aplicado em imagens onde não há muita heterogeneidade nos valores de nível de cinza.

O interpolador bilinear faz com que o nível de cinza a ser atribuído ao "pixel" da imagem corrigida seja determinado a partir do valor dos 4 "pixels" vizinhos. Como resultado, há alteração do valor do nível de cinza em função da sua vizinhança. Pode ser aplicado em imagens onde há considerável heterogeneidade nos níveis de cinza dos "pixels".

Confira os procedimentos para fazer o georreferenciamento (registro) de uma imagem. Sua imagem deve estar no formato Gridded Binary (GRIB) e armazenada em disco. O formato GRIB é gerado pelo módulo de leitura de imagens - "Impima" .

NOTA: O registro de imagens armazenadas em outros formatos, tais como, TIFF, GEOTIFF e RAW, requer a utilização inicial do "Impima" para converter as imagens para o formato GRIB.

 

Registro

 

Registro no SPRING

O georreferenciamento pode ser feito usando os parâmetros cartográficos de um projeto ativo (modo Tela). Se não houver um projeto ativo as coordenadas dos pontos de controle podem ser informadas através da mesa digitalizadora (modo Mesa) ou pelo teclado do computador (modo Teclado). Veja detalhes de cada modo:

 

MESA : No modo mesa o usuário necessita ter apenas um mapa (carta topográfica da mesma área da imagem). Este mapa deve ser calibrado em uma mesa digitalizadora. Como não é necessário ativar um projeto (basta ter um banco ativo), o sistema pedirá para informar a projeção a ser utilizada no registro.

TELA : Neste modo o usuário pode utilizar um Plano de Informação em um projeto ativo. Este PI pode ser uma imagem que já foi georreferenciada ou um outro mapa qualquer, como um PI temático que contenha algumas feições identificáveis na imagem.

TECLADO : No modo teclado também não é necessário ter um projeto ativo (basta ter um banco ativo). Por isso deve-se informar a projeção a ser utilizada no registro. Os pontos de controle são informados em coordenadas planas ou geográficas, que podem ser medidas diretamente no terreno com GPS, por exemplo.

Veja todos os procedimentos para registrar uma imagem.

Registro

 

Registro e Mosaico de Imagens

Quando a área coberta por uma imagem é menor do que a do projeto, é necessário fazer o mosaico com outras imagens adjacentes.

Um mosaico de imagem nada mais é do que um processo de colagem de imagens adjacentes para obter um recobrimento maior de uma área.

O registro entre as duas imagens que irão compor um único plano de informação no processo de mosaico deve ser preciso o suficiente para que na região de superposição não apareçam lacunas nem distorções na continuidade das feições geográficas. O erro em pixels deve ser o menor possível.

Mosaico com imagens TM-Landsat

O SPRING pode fazer um recorte automático de imagens TM-Landsat, para cenas completas (full frame), não deslocadas ao longo de uma órbita. Este recorte permite reduzir ao máximo a área de sobreposição entre as cenas vizinhas, utilizando a área nominal de um WRS (Worldwide Reference System). Basta clicar sobre o botão Recorte WRS da janela "Importar Arquivos GRIB".

IMPORTANTE: Este recurso somente funciona para cenas inteiras de TM-Landsat.


Veja como executar o mosaico entre duas imagens.

Sobre Registro

 

Sequência lógica para fazer um registro

A seguir apresentamos um exemplo da seqüência lógica que o usuário deve seguir para georreferenciar uma imagem usando um mapa colocado em uma mesa digitalizadora. O exemplo supõe a existência de um Banco de Dados e um Projeto.

 

Etapa

Caixa de Diálogo ou Menu

Resultado

1 - Aquisição da imagem:
     Ler imagem ou
     Importar imagem (Tiff)


Módulo IMPIMA

Importar...


Imagem formato GRIB

2 - Ativar o Banco e Projeto que receberá a imagem

Banco de Dados e

Projetos

Banco e Projeto ativos.

3 - Calibrar mapa à mesa digitalizadora

Calibração

Mapa calibrado

4 - Carregar imagem na Tela 5.

Seleção de Imagem

Imagem para registro na tela.

5 - Adquirir pontos de controle

Registro de Imagem

Vários pontos de controle.

6 - Selecionar pontos para registro e analisar erro.

Registro de Imagem

Melhores pontos escolhidos.

7 - Salvar imagem para registro.

Registro de Imagem

Imagem no formato GRIB com parâmetros para o registro

8 - Importar imagem para projeto.

Importar Arquivos GRIB.

Imagem no formato GRIB registrada

NOTA: No caso de optar por adquirir pontos de controle via Tela, substitua a etapa 3 por "Apresente um plano de informação para servir de referência na Tela principal".

NOTA: No caso de optar por adquirir pontos de controle via Teclado, desconsidere a etapa 3.

 

Sobre Registro



Consulte também:
Sobre Sensoriamento Remoto
Processamento de Imagens Digitais