Ünite 5: Görüntü Çeşitleri ve Özellikleri

DİJİTAL UYDU GÖRÜNTÜSÜ

Genel anlamda, bir uydu görüntüsü, üç boyutlu gerçek fiziksel uzayın iki boyutlu bir gösterimidir. İnsan görme sistemi bir görüntü girdi verisini mekânsal olarak dağılmış ışık enerjisinin toplamı olarak algılar. Bu şekildeki algılama optik görüntü olarak adlandırılır. Sürekli bir fonksiyona sahip analog bir görüntü mekânsal değişkenlerine ve genliğe göre ayrık hale getirilirse sonuçta oluşan ayrık fonksiyon dijital görüntü olarak adlandırılır. Uydu görüntüsü hedefin basit bir fotoğraf kamerası ile çekilen analog bir görüntüsü olmayıp görüntüyü oluşturan dijital veri setinin toplamından oluşan dijital bir görüntüdür. Analog bir görüntünün dijital görüntüye dönüştürülmesi ya da “Dijitalleştirme” olarak da adlandırılan bu işlem, örnekleme (sampling) ve nicemleme (quantization - genliğin ayrıklaştırılmasıı) adımlarından oluşur.

Genel olarak dijital görüntüler aşağıda belirtilen dört farklı grupta toplanmaktadır.

1. Binari görüntü: en basit görüntü çeşidi olup sadece 0 veya 1 olmak üzere 2 değer (siyah ve beyaz) alırlar.
2. Gri renk seviyeli görüntü: monokrom veya tek renkli görüntülerdir. Renk bilgisi içermeyip sadece parlaklık bilgisi içerirler.
3. Renkli görüntü: renk, cisimlerin farklı dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaları farklı şekilde yansıtma özellikleri (parlaklık değeri) ile ilişkilidir. Doğal renkli görüntü, elektromanyetik spektrumun kırmızı, yeşil ve mavi bölgelerinden alınmış dijital görüntülerin bilgisayar ekranında RGB katmanlarında görüntülenmesi ile elde edilir.
4. Çok spektrumlu görüntü: görünür spektrumun dışındaki bölgelerden alınan ve yanlış renkli görüntü olarak da adlandırılan görüntülerdir. Örneğin morötesi, kızıl ötesi dalga boyları gibi. Bu tür verilerin kaynağı, uydu sistemleri, su altı algılama sistemleri, değişik tipteki uçak radarları, kızıl ötesi görüntüleme sistemleri ve tıbbi tanı görüntüleme sistemleridir.

Grafik ekranlarda rengi tanımlamak için değişik modeller kullanılır. Bunların arasında sık kullanılanı, rengi RGB (Kırmızı, Yeşil ve Mavi) değerleriyle tanımlama yöntemidir. Bu yöntemde bir renk değişik tondaki kırmızı, yeşil ve mavi temel renklerin bir arada karıştırılmasıyla elde edilmektedir.

İşlenmemiş ham uydu görüntüleri genelde gri renk seviyesi formatında depolanırlar. Uzaktan algılamada görüntü depolamada kullanılan gri renk tonu skalası genellikle 256 (8bit)dır. Her bir değer cisimlerden yansıtılan parlaklık değerini gösterir. Eğer görüntüde yeterli kontrast varsa, diğer bir ifade ile görüntüde ilgilenilen cisim ile etrafındaki komşu cisimlerin (yeryüzü özelliklerinin) rölatif parlaklık değerleri arasındaki fark yüksek ise cisimlerin tanınması daha kolaydır, aksi durumda ilgilenilen cisim görüntüde saptanamayabilir.

Kontrast, bir cismi (veya görüntüdeki temsilini) diğer cisimlerden ve arka plandan ayırt etmeye yarayan görsel özelliklerdeki farklılıktır. Görsel algılamada kontrast, bir cismin aynı görüş alanında bulunan diğer cisimlerle olan renk ve parlaklığındaki farklılıklar ile belirlenir. En basit ifade ile kontrast, görüntüdeki en parlak bölüm ile en karanlık bölüm arasındaki fark olarak tanımlanabilir. Görüntüde yeterli kontrast olup olmadığı görüntü histogramına bağlı olarak analiz edilir.

Görüntülerdeki kontrastın oldukça düşük ve insan gözünün sınırlı sayıda gri renk tonu seviyesini ayırt edebiliyor olması nedeniyle işlenmemiş, ham uydu görüntü verileri yorumlama açısından pek uygun olamamaktadır. Bu amaca yönelik olarak işlenmemiş görüntü bantları arasındaki kontrastı artırmak için birçok farklı görüntü işleme teknikleri kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemlerin kullanılabilmesi için görüntü karakteristiklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir.

GÖRÜNTÜ KARAKTERİSTİKLERİ

Görüntü histogramı, dijital bir görüntüdeki tonal frekans dağılımının grafik gösterimidir. Diğer bir ifade ile görüntüdeki her bir parlaklık değerini içeren toplam piksel sayısı ile görüntü piksellerinin istatistiksel dağılımı gösterilmektedir. Sıklıkla histogram, her bir parlaklık seviyesindeki (DN) piksel sayısının görüntüdeki toplam piksel sayısına oranı olan bağıl frekans ile de belirlenmektedir. Frekans gösteriminde, düşey eksen belirli bir gri renk tonu seviyesi için toplam piksel sayısını, yatay eksen ise olası bütün parlaklık değerlerini küçükten büyüğe doğru (görüntünün dinamik aralığı) göstermektedir. Diğer bir ifade ile histogramın sol tarafı koyu renk tonuna, orta bölgeler orta gri renk tonuna ve sağ tarafı ise açık renk tonuna sahip pikselleri göstermektedir. Görüntü histogramına bakılarak öncelikle görüntüdeki tonal dağılım hakkında bir fikir edinilir ve görüntünün görsel kalitesinin arttırılması için gerekli görüntü işleme adımları belirlenir.

ÇÖZÜNÜRLÜK

Birçok uzaktan algılama algılayıcısı, verileri, uzaktan algılamada geçerli olan temel prensiplere bağlı olarak algılamış olsa da, sonuç görüntüsünün formatı ve kalitesi çok farklılık gösterebilir. Bu farklılıklar dört farklı uydu çözünürlüğü ile ilişkilidir:

Mekânsal Çözünürlük, Mekânsal çözünürlük görüntüde ayırt edilebilir detay seviyesini gösteren bir özelliktir. Diğer bir ifade ile bir uydu görüntüsünde görünen detaylar algılayıcının mekânsal çözünürlüğüne bağlı olup, bu değer görüntünün en küçük elemanı olan bir pikselin yeryüzündeki kapladığı alana karşılık gelmektedir. Yeryüzünde algılanan minimum alan görüntünün maksimum mekânsal çözünürlüğüne eşit olup bu alan, algılayıcının platform yüksekliğine ve “Anlık Görüş Alanı (IFOV)” ile ifade edilen gözleme açısına bağlı olarak belirlenir. Daha küçük gözleme açısı veya daha alçak uydu yüksekliği daha küçük IFOV’a neden olur.

Mekânsal çözünürlük açısından uydu görüntüleme sistemleri:

• Düşük mekânsal çözünürlüklü sistemler (30 - >1 km)
• Orta mekânsal çözünürlüklü sistemler (4 m - 30 m)
• Yüksek mekânsal çözünürlüklü sistemler (0.5 m - 4 m) olarak gruplandırılmaktadır

Algılayıcı platform yüksekliği de mekânsal çözünürlüğe etki etmektedir. Örneğin uçak-bazlı sistemler uzaktan algılama (yer gözleme) amaçlı kullanılan uydu-bazlı sistemlerine nazaran çok daha düşük platform yüksekliğine sahip olduklarından mekânsal çözünürlükleri daha fazladır, diğer bir deyişle görüntüde ayırt edilebilir detay seviyesi daha yüksektir. Günümüzde gelişen uydu teknolojisine paralel olarak yüksek mekânsal çözünürlüklü uydu sistemleri de mevcuttur, ancak dijital hava fotoğraflarının mekânsal çözünürlüğü ile karşılaştırıldıklarında uydu-bazlı sistemlerin çözünürlükleri halen çok daha düşük kalmaktadır

Spektral Çözünürlük, Elektromanyetik spektrumun farklı bölgelerinde algılama yapan uzaktan algılama uydularından alınan veriler çok-spektrumlu veri olarak adlandırılmaktadır. Yeryüzündeki farklı özellik sınıfları ve detaylar çok spektrumlu verilerdeki diğer bir ifade ile farklı dalga boylarındaki spektral yansıtım özelliklerine göre ayırt edilmektedir. Genelde su ve bitki örtüsü gibi genel arazi örtüsü sınıfları belirli dalga boyu aralıklarında örneğin görünür ve yakın kızıl ötesi dalga boylarında ayırt edilebilirler. Ancak örneğin farklı kayaç tipleri gibi daha spesifik arazi örtüsü sınıfları geniş dalga boyu aralıklarına kıyasla çok daha küçük dalga boyu aralıklarındaki yansıtım farklılıkları göz önüne alınarak ayırt edilirler. Bir algılayıcının, elektromanyetik spektrumda kaydedebildiği spesifik dalga boyu genişliği ve algılama yapılan bant sayısı ile ifade edilen spektral çözünürlük farklı uygulamalarda kullanılacak uydu verilerinin seçiminde göz önüne alınan diğer önemli bir özelliktir.

Genel olarak spektral çözünürlüğe bağlı olarak algılayıcı sistemler;

• Geniş-bant aralıklı,
• Dar-bant aralıklı,
• Spektral,
• hiperspektral algılayıcılar

olarak gruplandırılırlar. Yüksek ve düşük spektral çözünürlüğe sahip dijital görüntülerdeki temel avantaj ve dezavantajlar aşağıda verilmektedir:

• Dar bant aralığına sahip bantlar daha fazla spektral detay içerirler, ancak daha az enerjiye diğer bir ifade ile düşük sinyal gücüne sahiptirler.
• Çok bantlı veri daha fazla bilginin depolanması, iletilmesi ve işlenmesini gerektirir.
• Ancak daha fazla bant sayısı daha fazla spektral detay içerdiğinden cisimlerin ayırt edilmesinde daha çok kolaylık sağlamaktadır.

Farklı tarihlerde aynı algılayıcı sistem ile aynı spektral bantlardan algılanmış veriler değişim saptama analizlerinde en iyi sonucu vermektedir. Bunun mümkün olmadığı durumlarda (bulut etkisi, programlama yapılmamış olunması, vb.) ise yaklaşık olarak en yakın dalga boyu aralığına sahip başka bir spektral bant kullanılmalıdır.

Radyometrik Çözünürlük, bir görüntü veren algılayıcı sistemin radyometrik çözünürlüğü gelen ışınım enerjisindeki en küçük farklılıkları ayırt edebilme yeteneği olarak tanımlanır. Daha yüksek (hassas) radyometrik çözünürlük yansıtılan veya yayılan enerjideki küçük farklılıkları saptamaya daha duyarlıdır. Dijital uydu görüntüsünde piksel değerleri (gri renk tonu), parlaklığın belirli sınırlar arasında kaydedilmiş ölçüsü olup 0 ile 2n -1 değeri arasında tanımlanır. Algılayıcının dinamik aralığını veya her bir banttaki olası parlaklık değeri sayısını belirten n değeri genelde 1 ile 16 arasında bir değer olsa da uzaktan algılama uydularının çoğu 8bit olarak kaydedilir.

Zamansal çözünürlük, bir uydu algılayıcısının aynı bölgenin görüntüsünü hangi sıklıkta algıladığını belirtir. Bu ise uydudan uyduya farklılık göstermektedir, diğer bir ifade ile bazı uydu sistemleri birkaç saatte, bazıları ise birkaç gün sonra aynı bölgeden algılama yapabilmektedir. Uydu görüntülerinin zamansal çözünürlüğü uydunun yörünge karakteristiğine bağlıdır. Kutupsal yörüngeli uydularda, kutuplara yakın enlemlerde, ardı sıralı geçişlerde algılanan alanların, çoğunlukla birbirleriyle örtüşmesi ve uydu platformuna yerleştirilen bazı sistemler nedeni ile zamansal çözünürlük yörünge tamamlama süresinden (yörünge periyodu) daha kısa olabilmektedir. Zamansal çözünürlük, tek bir görüntü yerine aynı algılayıcının zaman içerisinde algıladığı seri görüntüleri belirttiğinden özellikle değişim saptama uygulamaları için çok önemlidir.

Zamansal çözünürlük özellikle;

• Yeryüzünün belirli bölgeleri için (örn. tropik bölgeler) bulutsuz görüntü alma olanağının sınırlı olması durumunda,
• İnsan ve/veya doğal kaynaklı afet olaylarının (sel baskını, gemilerden yağ tabakası deşarjı, vb.) izlenmesinde,
• Çok-zamanlı görüntülerin karşılaştırılmalarını (örn. böcek istilası durumunda zarar gören orman kaynaklarının yıldan yıla izlenmesi ve yayılımının belirlenmesi) gerektiren uygulamalarda,
• Dinamik özelliğe sahip arazi örtü sınıflarının (örn. buğday ürünü gelişiminin izlenmesi) zaman içindeki gelişiminin izlenmesinde oldukça kritik bir faktör olduğundan, uzaktan algılama uygulamalarında kullanılacak algılayıcı seçiminde büyük önem taşımaktadır.

YAYGIN KULLANILAN UYDU SİSTEMLERİ

Günümüzde çeşitli platformlardan ve algılayıcılardan elde edilmiş farklı çözünürlüklere sahip dijital görüntü verileri özellikle çevre kaynaklarının izlenmesi ve değişim saptama uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır ancak çeşitli nedenlerden (bulut, yörünge periyodu, vb.) dolayı uygun veri setinin elde edilmesi her zaman mümkün olamamaktadır. Çözüm olarak veri kaynaştırma ya da radar verilerinden alınan tamamlayıcı veriler kullanılmaktadır. Kullanımı oldukça yaygın olan elektro-optik algılama sistemlerine nazaran ikincil planda kalan aktif mikrodalga algılayıcılarının gelecekte çok önemli bir veri olmaya devam edeceği ve özellikle interferometrik SAR (InSAR - Interferometrik Yapay Açıklıklı Radar) ile global dijital yükseklik modellerinin oluşturulması, doğal afetler (deprem, volkanik patlamalar, vb.) sonucunda oluşacak milimetre düzeyindeki yüzey deformasyonlarının saptanması, buzul tabakaların topoğrafyasının ve hızının belirlenmesi gibi uygulamalarda birincil öneme sahip olacağı kanısıyla ABD başta olmak üzere birçok Avrupa ülkesi yeni SAR uydu sistemlerini planlamaya başlamışlardır. Özellikle başta okyanus ve buzul kütleleri olmak üzere yeryüzü kaynaklarının daha etkin izlenmesi ve yönetimi için geniş bir yelpazeyi içeren ekolojik proseslerin global analizinde radar görüntü verilerinin kullanımının yaygınlaştırılması hedeflenmektedir.