04/17/2008 1

TechnologieprzetwarzaniaiudostępnianiarastrowychobrazówgeoprzestrzennychAnalizawymagań,problemówirozwiązańsoftwareowych

©2007AdamStrzelecki,DigitechInternationalS.A.,ERMapperFrance

www.digit‑int.com

04/17/2008 2

Pozyskiwanieobrazu RektyfikacjaiorientacjageograficznaPrzygotowaniedanychdoudostępniania

PublikacjawInternecie/IntranecieSerweryWWW,serwisyTCP/IP

PrzeglądaniewInternecie/IntraneciePrzeglądarkiWWW,klienciTCP/IP

Urządzeniapozyskująceobraz(satelita,samolot

(bez)załogowy)

Serwery/nośnikiobrazówźródłowych(taśmy,DVD)

Serweryioprogramowanierektyfikującemozaiki(ERMapperProfessional,

GeoTIFF)

Serweryioprogramowaniekompresujące

(ERMapperProfessional,ECW,JPEG2000)

SerweryWWWwrazzrozszerzeniamistreamingu

obrazów(IIS+ImageWebServer)

Aplikacjeklienckie:

DHTMLActiveX

Schematprzetwarzaniainformacji

DanenieprzetworzoneDevicerawdata

Danewuniwersalnychformatach:TIFF,BIL…

+Parametrypozyskaniaobrazu(pozycja,kąt,wybranesensory,czas)

Transferdanychzurządzeniazdalnego(digitalizacja)

Danezrektyfikowanewuniwersalnychformatach

+Danerektyfikacji(projekcja,systemwspółrzędnych)

Rektyfikacja

DaneskompresowanedoformatuECWlubJPEG2000wrazz

informacjągeolokacyjną(projekcja,systemwspółrzędnych)

Kompresja

DaneskompresowanedoformatuECWlubJPEG2000wrazz

informacjągeolokacyjną(projekcja,systemwspółrzędnych)

KafelkiJPEG

Częścipliku

(chunks)

04/17/2008 3

Zastosowaniegeo‑obrazów• Mapyiplanycywilneiwojskowe,planygeodezyjne,

wydawnictwakartograficzne(IGNFrance,EPF,Crige‑Paca)Najczęściejspotykanezastosowaniegeo‑obrazów.

• Badanianadglobalnymiprocesaminaziemi,takimijak:zanieczyszczenie,wegetacjaroślin,zbiornikiwodne,złożamineralneGłówniecywilnejednostkibadawczeprzyuniwersytetachbądź

agencjachrządowych.

• Przewidywaniepogody• Przeciwdziałaniekatastrofomnaturalnymtakimjak

pożary,powodzie,tsunami(UNOSAT–programUN)Jednostkireagowaniaprzyagencjachmiędzynarodowych.

04/17/2008 4SPOT4PreandPost‑DisasterofEastofOkanda‑Helawearea,SouthEastCoastofSriLanka

04/17/2008 5IRSPreandPost‑Disasterspatio‑mapofSouthEastofMullaiBivutown,EastCoastofSriLanka

04/17/2008 6AustralianNationalMap

04/17/2008 6AustralianNationalMap

04/17/2008 6AustralianNationalMap

04/17/2008 7Australianminesite

04/17/2008 8GeologyMapWest

04/17/2008 9

Źródłageo‑obrazów• Satelitycywilne,satelitymeteorologiczne,satelitykorporacyjne

(LANDSAT,ENVISAT,SPOTImage)– Częstomożliwyjestpublicznydostępdosatelitówcywilnych.– Najczęściejposiadającecyfroweprzetwornikiobrazu– Dostępprzezodbiornikinaziemnekontrolowaneprzezróżnegotypu

organizacje

• Satelitywojskowe– Urządzeniaolepszychparametrachniżcywilneodpowiedniki– Brakdostępudlajednostekcywilnych

• Samolotyzałogowe– Kiedyśbardzopopularne– Mogąlataćpodchmurami.– Nadalczęstoposiadającenapokładzieaparaturęanalogową.

• Dronyihelikopterybezzałogowe– Corazbardziejpopularnerozwiązaniakontrolowanezziemi– Małerozmiaryiniskiekosztyeksploatacji

04/17/2008 10NASAandEarthSatLandsat741EuropeCover

04/17/2008 10NASAandEarthSatLandsat741EuropeCover

04/17/2008 10NASAandEarthSatLandsat741EuropeCover

04/17/2008 10NASAandEarthSatLandsat741EuropeCover

04/17/2008 11BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 11BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 11BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 11BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 12NASAandEarthSatLandsat741SouthAmericaCover

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 13BDOrthoDept.35Ille‑et‑Vilaine

04/17/2008 14

Rodzaje(pasma)geo‑obrazów• Cotojestpasmo(band)

Pasmojestklasąwartościreprezentującychenergięfalielektromagnetycznejzwybranegozakresuczęstotliwościbadanąprzezpikselsensorawurządzeniuskanującymobraz(CCD,lubkliszawprzypadkuurządzeńanalogowych)

• Rodzajepasm– RGB(pasmaświatławidzialnego)– IR(podczerwień)– UV(ultrafiolet)– Wegetacja(kombinacjaIR,RGB,UV)– Radar(specjalnyrodzajpasma,badaniejestwtymprzypadkuaktywne,

wymagawysłaniawiązkiradaruisprawdzeniaczasuodbiciaisiłypowracającegosygnału)

• Kodowaniepasm– 8‑bit‑64‑bitinteger–wąskizakreswartości,dużadokładność,małaobjętość– 16‑bit–64‑bitfloatingpoint–szerokizakreswartości,średniadokładność,duża

objętośćzazwyczajkodowanewstandardachIEEE

04/17/2008 15

Rektyfikacja• Obrazyźródłoweskładająsięztysięcyzdjęćzarejestrowanychprzez

aparaturęsatelitybądźsamolotu• Obrazyźródłowenieposiadająwspólnegosystemuwspółrzędnych(prócz

globalnegowprzestrzeni3D/4D?)• Obrazyźródłowesąwycinkiemrzutuobrazuprzestrzeninapłaszczyznę,

opisywanegozbioremparametrówodpowiadającychpozycjisatelity/samolotuwprzestrzenitrójwymiarowej

04/17/2008 16

Efektobrotuziemipodczasskanowania(satelitynie‑geostacjonarne)

04/17/2008 17

ZniekształceniepanoramiczneSzerokikątwidzenia

04/17/2008 18

Zniekształceniezwiązanezkrzywiznąziemi

04/17/2008 19

Filtrowaniebiliniowe

04/17/2008 20

Filtrowaniekubiczne

04/17/2008 21

Rektyfikacjapikseli

04/17/2008 22

Kompresjageo‑obrazów• Skądwziąłsięwymógkompresjiobrazówwysokiejrozdzielczości

– Zrektyfikowanegeo‑obrazychoć(teoretycznie)czytelnedlaludzizajmująogromnąprzestrzeńdyskowąwpostaciwieluplikówcowykluczawydajnydostępswobodny

– Zrektyfikowanegeo‑obrazyniemogąbyćwyświetlonewcałości(anizazwyczajwydrukowane)zpowoduswoichrozmiarów,przykładowodanerastrowe(RGB,zdjęcialotnicze)„BDOrtho”Francjiwrozdzielczości0.5mnapikseltoobrazorozmiarachok.2mlnx2mlnpikselicodajeponad16TBnieskompresowanychdanych!

• Założeniaiwymaganiakompresjiobrazówwysokiejrozdzielczości– Swobodnydostępdowycinkówobrazów(snapshotów)wrozdzielczości

urządzeniawyświetlającegoużytkownika(monitora,drukarki)– Wysokawydajnośćprzyrównoczesnymdostępiewieluużytkowników– Relatywniemałewymaganiaprzestrzenidyskowej(dużakompresja)

przymałejstraciejakości(lubkompresjabezstratna)

04/17/2008 23

FormatyECW/JPEG2000EnhancedCompressedWavelet(stworzonyprzezStuarta

NixonazfirmyERMapperokołoroku1995)iJPEG2000(następcaformatuJPEGstworzonyw1999przezkonsorcjumJPEG)sąformatamikompresjifalkowejbazującejnadyskretnejtransformaciefalkowejDWT(podobnejdotransformatyFouriera)orazdekompozycjipiramidalnej– Kompresjafalkowa(waveletcompression)jestwydajną(niektórzy

mówiądoskonałą)metodąkompresjiobrazuzapewniającądoskonałerezultatybezstratybądźzmałąstratąjakości(przekłamaniami).

– Dekompozycjapiramidalnajestmetodąkodowaniaobrazuowysokiejrozdzielczościzapewniającąwydajnyswobodnydostępdowycinkówobrazu.

04/17/2008 24

Kompresjafalkowa• Twórca:

– ZostaławymyślonaprzezfrancuskiegogeofizykaJeanaMorletaw1980roku– BazujenapomyśleznanejjużoddłuższegoczasutransformatyFouriera– MorletszukałsposobunapokonanieniedoskonałościtransformatyFouriera

przybadaniachizapisiesygnałówsejsmicznych

• Zastosowanie:– Aktualniekompresjafalkowajeststosowanezpowodzeniemprzezwielefirmi

instytucjizajmującychsięprzetwarzaniemdźwiękuiobrazu– FBIużywakompresjifalkowejdoprzechowywania200milionów(zdjęć)

odciskówpalców– Myużywamyjejdoprzechowywaniabardzodużejrozdzielczościobrazów

geoprzestrzennych– Możebyćstosowanazpowodzeniemtakżedokompresjidźwięku(muzyki),

jakoalternatywadlaformatump3bazującegonadyskretnejtransformacieFouriera

04/17/2008 25

Kompresjafalkowac.d.Transformatafalkowa

• a–współczynnikskali• b–współczynnikprzesunięcia• s(t)–zależnyodczasu(t)sygnałbadany• –współczynnikfalkowy(delta)zależnyodparametrówaib

• –funkcjafalkowa• –jądroprzekształcenia

04/17/2008 26

Kompresjafalkowac.d.

04/17/2008 27

Kompresjafalkowac.d.Ortonormalnabazafunkcjifalkowych

• Istniejewielerodzinfunkcjifalkowych(falek)

• Wprzeciwieństwiedofunkcjisin/cosużywanychwtransformacieFouriera,falkiposiadająwartościniezerowetylkowskończonymprzedziale

• RodzinafunkcjifalkowychtworzybazęortonormalnąHilbertanadprzestrzeniąHilberta

• Wtransformaciefalkowejreprezentujemywybranąfunkcjęjakoliniowąkombinacjęfalek:

• JednązczęściejużywanychjestrodzinaDaubechies(odnazwiskapomysłodawczyniIngridDaubechieszUniwersytetuPrinceton)

04/17/2008 28

Kompresjafalkowac.d.Cechytransformatyfalkowej

• Transformatafalkowabardzodobrzenadajesiędoreprezentowaniafunkcjiposiadającychcechylokalne

• Funkcje,któremająpodobnącharakterystykędofalek,możnaczęstoreprezentowaćzapomocąskończonejilościwektorów(falek)bazowych.Bardzoczęstojestto1falka!

• Stratnośćkompresjifalkowejpoleganawybraniutylkoograniczonejilościfalekbazowych,którenajlepiej„aproksymują”kompresowanąfunkcję(najmniejszadelta/współczynnik)

• Podobniejakwprzypadkukompresjimp3,kompresowanysygnałmożnadzielićnaramki

04/17/2008 29

Kompresjafalkowac.d.Transformatafalkowadlaobrazów

• Wprzypadkuobrazówstosujesięfalki2D(R2→Rdlajednegokanału),przykładowonarysunkumamyfalkęDaubechies20

• Możnateżstosowaćprostszefalki,naprzykładHaar(odAlfredaHaara1901)

• Dlaobrazówcyfrowychstosujesiędyskretnątransformatęfalkową(DWT‑discretewavelettransform)wrazzdekompozycjąpiramidalną

• Każdykanałjestkompresowanyosobno

• WprzypadkuformatuJPEG2000możliwejestkompresowaniekanałówzapisywanychwpostaciliczbzmiennoprzecinkowychoraz

04/17/2008 30

Kompresjafalkowac.d.Dekompozycjaobrazów

• Dekompozycjaobrazujestrekursywnymalgorytmemwykorzystującymfiltry,orazkompresjęfalkową.

• Przykażdejiteracjiobrazjestdzielonyna2pasma,wysokieiniskie.

• Wysokiejestsamplowane2xwdół,aróżnicajestkompresowanaizapisywana.

• Niskiejestsamplowane2xwdółiwykorzystywanedonastępnejiteracji.

(Lepszaaproksymacja)

• Przydekompresjiobrazuiterujemywodwrotnąstronę.

• Przykażdejiteracjidekompresjiuzyskujemyobrazo2xwiększejrozdzielczości.

• WprzypadkuECW/JPEG2000

04/17/2008 30

Kompresjafalkowac.d.Dekompozycjaobrazów

• Dekompozycjaobrazujestrekursywnymalgorytmemwykorzystującymfiltry,orazkompresjęfalkową.

• Przykażdejiteracjiobrazjestdzielonyna2pasma,wysokieiniskie.

• Wysokiejestsamplowane2xwdół,aróżnicajestkompresowanaizapisywana.

• Niskiejestsamplowane2xwdółiwykorzystywanedonastępnejiteracji.

(Lepszaaproksymacja)

• Przydekompresjiobrazuiterujemywodwrotnąstronę.

• Przykażdejiteracjidekompresjiuzyskujemyobrazo2xwiększejrozdzielczości.

• WprzypadkuECW/JPEG2000

04/17/2008 30

Kompresjafalkowac.d.Dekompozycjaobrazów

• Dekompozycjaobrazujestrekursywnymalgorytmemwykorzystującymfiltry,orazkompresjęfalkową.

• Przykażdejiteracjiobrazjestdzielonyna2pasma,wysokieiniskie.

• Wysokiejestsamplowane2xwdół,aróżnicajestkompresowanaizapisywana.

• Niskiejestsamplowane2xwdółiwykorzystywanedonastępnejiteracji.

(Lepszaaproksymacja)

• Przydekompresjiobrazuiterujemywodwrotnąstronę.

• Przykażdejiteracjidekompresjiuzyskujemyobrazo2xwiększejrozdzielczości.

• WprzypadkuECW/JPEG2000

04/17/2008 30

Kompresjafalkowac.d.Dekompozycjaobrazów

• Dekompozycjaobrazujestrekursywnymalgorytmemwykorzystującymfiltry,orazkompresjęfalkową.

• Przykażdejiteracjiobrazjestdzielonyna2pasma,wysokieiniskie.

• Wysokiejestsamplowane2xwdół,aróżnicajestkompresowanaizapisywana.

• Niskiejestsamplowane2xwdółiwykorzystywanedonastępnejiteracji.

(Lepszaaproksymacja)

• Przydekompresjiobrazuiterujemywodwrotnąstronę.

• Przykażdejiteracjidekompresjiuzyskujemyobrazo2xwiększejrozdzielczości.

• WprzypadkuECW/JPEG2000

04/17/2008 31

Kodowaniepiramidalne

• Kodowaniepiramidalnepoleganarozbiciuobrazunapoziomyszczegółowościzawierającevw.kafleostałymrozmiarze(np.256x256)

• Każdykolejnyniższypoziomprzechowuje4razywięcejkaflio2razywiększejrozdzielczości

• Poziomnajniższyzawierakafleorozdzielczościnatywnejobrazu

• Poziomnajwyższyzawieratylkojedenkafel

04/17/2008 32

FormatyECW/JPEG2000c.d.• Wydajnośćkompresji

– Od1/10przykompresjibezstratnej– Donawet1/30,1/40przykompresjistratnejjednakniegenerującej

dużychprzekłamań(niewidocznychdlazwykłegoużytkownika)

• Wydajnośćdostępu– 30‑40obrazów/sek.wrozdzielczościVGAwlosowymdostępie

swobodnymprzywykorzystaniuserweradwuprocesorowegoz2GBpamięciRAMwprzypadkudanychźródłowychdo1TB

– Niskieobciążeniedyskowychpamięcimasowych;przygenerowaniuobrazualgorytmdekompresjipotrzebujeprzeczytaćmaksymalnieokoło3xwięcejdanychniżrozmiarobrazuwyjściowego,azazwyczajniewięcejniż1,2x.

– Niskiewymaganiapamięci(wprzypadkuformatuECW)

• Dodatkowemożliwości– ProstydostępprzezserweryHTTP(indeksowanydostępdopliku)– Ogólnodostępnebibliotekidokompresjiidekompresji

04/17/2008 33

Udostępnianieobrazówgeoprzestrzennych

• Skompresowanedanemogąbyćudostępnianieszerokiejpubliczności

• Sposobyudostępnianiadanych:– Grubyklient:najczęściejwtyczkaActiveXrozumiejącaformatECW/JPEG2000,

Cienkiserwer:służącywyłączniejakoproxyoperacjiczytaniablokówplikuleżącegopostronieserwera.

RozwiązanietoświetniesprawdzasięwIntranecie,zapewniadoskonałąwydajność.WadąjestkoniecznośćinstalacjidodatkowegorozszerzeniaprzeglądarkiWWW.

– Cienkiklient:poprostuprzeglądarkaWWWorazzestawodpowiednichskryptówżądającychkafli(kodowaniepiramidalne)odserwerawformatachJPEG,GIF,PNG.

Grubyserwer:zajmującysiędekompresjądanychzformatówECW/JPEG2000iprzygotowaniemkafli.(Alternatywniepostronieserwerakaflemogąbyćjużprzygotowanedowysłania)

Rozwiązanietojeststosowanem.in.przezGoogleMapsczyteżIGNGeoportail.fr.Niewymagainstalacjidodatkowegooprogramowania.

• Oprogramowanie:– ERMapperImageWebServer:rozszerzenieMSInternetInformationServerbądźApacheWebServerudostępniająceaplikacjomwebowymAPIpozwalającenaprogramowalnydostępdoplikówECW/JPEG2000znajdującychsiępostronieserwera,t.j.wyświetlanie(rendering)zadanychobszarów,funkcjezwiązaneztransformacjąwspółrzędnych,dodatkowerozszerzeniagrafikiwektorowej

04/17/2008 34

RasterTankPrzykładowaaplikacjaWebGISrozwijanaprzezDigitechInternational,ERMapperFrance

• Kompleksowegotowerozwiązaniedoudostępnianiageo‑obrazówwsieciWeb

• BazujenajądrzetechnologiiERMapper

• Pozwalaprzygotowywać,udostępniaćorazprzetwarzaćmapyzpoziomudowolnejprzeglądarkiWWW

• Udostępniamożliwośćoffline’owegoprzetwarzaniaobrazówdoróżnychzadanychformatówwyjściowych

04/17/2008 35

Podsumowanie• GISjeststosunkowonowądziedzinązpogranicza

informatykiigeodezji• SzybkirozwójGISwostatnichlatachbyłmocno

spowodowanygwałtownymwzrostemmocyobliczeniowejwspółczesnychkomputeróworaztaniejącymizdnianadzieńpamięciamimasowymi

• GISaktualniedążycorazbardziejdowykorzystaniatechnologii3Dprezentacjiobrazu

Dziękujęzaudziałwmojejprelekcji