94...บทท 5 การประมวลผลภาพเช งเลขเบ องต น...

การรับรู้จากระยะไกล 1 โดย ทบทอง ช้ันเจริญ สาขาภูมิสารสนเทศ คณะวิทยาการคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีสารสนเทศ มหาวิทยาลัยราชภัฏร าไพพรรณี 2558

บทที่ 5 การประมวลผลภาพเชิงเลขเบื้องต้น

ข้อมูลภาพเชิงเลขที่ได้จากการบันทึกของเครื่องตรวจวัดจากการรับรู้ระยะไกลในช่วงแรก เรียกว่า ข้อมูลดิบ (raw data) ซึ่งมักจะมีค่าความคลาดเคลื่อนปรากฏอยู่หลายรูปแบบ รวมถึงคุณภาพโดยรวมยังไม่ดีมากพอส าหรับการน ามาศึกษาหรือวิเคราะห์ผลตามต้องการ ด้วยเหตุนี้ การประมวลผลเบื้องต้นในการประมวลผลภาพเชิงเลข ซึ่งคือการประเมินคุณภาพของภาพและการประเมินผลทางสถิติเบื้องต้น ก่อนน าข้อมูลภาพเชิงเลขไปปรับแก้ความคลาดเคลื่อนเชิงรังสีและเชิงเรขาคณิตที่เกิดขึ้นระหว่างการตรวจวัดจากการรับรู้ระยะไกล รวมไปถึงการเพ่ิมคุณภาพของข้อมูลภาพเชิงเลข จึงเป็นกระบวนการที่ส าคัญและควรปฏิบัติก่อนน าไปใช้งานเสมอ โดยกระบวนการดังกล่าวนี้จะช่วยเพ่ิมประสิทธิภาพในการศึกษาของผู้ใช้ข้อมูลภาพเชิงเลข อีกทั้งยังช่วยเพ่ิมระดับความถูกต้องของของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลภาพเชิงเลขในภายหลัง การประมวลผลภาพเชิงเลขเบื้องต้น

Jensen, J. R. (2005) กล่าวว่า ชุดข้อมูลภาพจากการรับรู้จากระยะไกลส่วนใหญ่มีคุณภาพสูงและแม่นย า แต่ในบางครั้งความผิดพลาดที่เกิดจากสัญญาณรบกวนอาจปะปนในข้อมูลจากการรับรู้จากระยะไกล ได้แก่ 1. สภาพแวดล้อม เช่น การกระเจิงในบรรยากาศ ภาพที่ 5.1 แสดงข้อมูลจากดาวเทียม Landsat ระบบ TM โดย (ก) เกิดความคลาดเคลื่อนจากการกระเจิงในบรรยากาศ และ (ข) ข้อมูลภาพภายหลังการปรับแก้ความคลาดเคลื่อนแล้ว 2. ความผิดปกติของระบบการรับรู้จากระยะไกล เช่น การเกิดแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน (line stripping) ภาพที่ 5.2 แสดงข้อมูลจากดาวเทียม SPOT โดย (ก) การเกิดแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน และ (ข) ข้อมูลภาพภายหลังการปรับแก้ความคลาดเคลื่อนแล้ว หรือ 3. การประมวลผลข้อมูลจากการรับรู้จากระยะไกลเบื้องต้นก่อนที่จะวิเคราะห์ข้อมูลจริงคลาดเคลื่อนตาม เนื่องจากระบบท างานไม่สอดคล้องกับระดับความสว่างของพ้ืนผิวโดยเฉลี่ย ซึ่งมักจะเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาลส าหรับแต่ละพ้ืนผิว เช่น การแปลงข้อมูลอนาล็อกเป็นข้อมูลเชิงเลขคลาดเคลื่อน ภาพที่ 5.3 แสดงข้อมูลจากดาวเทียม Landsat ระบบETM+ โดย (ก) ข้อมูลภาพดาวเทียมที่สร้างจากค่าความเข้มแสง และ (ข) ข้อมูลภาพภายหลังจากการแปลงค่าความเข้มแสงกลับไปเป็นค่ารังสีสัมบูรณ์ (absolute radiance) ซึ่งเป็นค่าความเข้มแสงต้นฉบับที่เดินทางมาถึงเครื่องตรวจวัดและไม่ข้ึนกับระบบตรวจวัดที่ใช้ เป็นต้น เนื่องจากการเกิดความคลาดเคลื่อนสามารถมาได้จากหลายปัจจัย ดังนั้น เพ่ือความถูกต้องของผลการศึกษาหรือวิเคราะห์จากข้อมูลการรับรู้จากระยะไกลเชิงเลข ควรท าการประเมินคุณภาพข้อมูลภาพและการประเมินผลทางสถิติก่อนน าข้อมูลไปใช้เสมอ

94


(ก) (ข)

ภาพที่ 5.1 ความคลาดเคลื่อนจากการกระเจิงในบรรยากาศ และการปรับแก้ข้อมูล ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550)

(ก) (ข)

ภาพที่ 5.2 ความคลาดเคลื่อนแบบแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน และการปรับแก้ข้อมูล ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550)

(ก) (ข)

ภาพที่ 5.3 ข้อมูลภาพดาวเทียมท่ีสร้างจากค่าความเข้มแสง และค่ารังสีสัมบูรณ์ ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550)

95


การประเมินคุณภาพของภาพและการประเมินผลทางสถิติ

โดยในการประเมินคุณภาพข้อมูลภาพเชิงเลขจากการรับรู้จากระยะไกลและการประเมินผลทางสถิติจะด าเนินการได้ในหลายวิธี (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) โดยในรายวิชานี้จะกล่าวถึงบางเรื่องที่ส าคัญในเบื้องต้น ดังต่อไปนี้

1. คุณลักษณะของฮิสโตแกรมของข้อมูลจากการรับรู้จากระยะไกล ฮิสโตแกรมเป็นการแสดงผลเนื้อหาข้อมูลภาพแบบกราฟิก ซึ่งแต่ละช่วงคลื่นจะถูกวิเคราะห์และแสดงในหลายรูปแบบ โดยจะให้ข้อมูลเชิงคุณภาพของข้อมูลต้นฉบับแก่ผู้วิเคราะห์ ในทางปฏิบัติ ควรสร้างฮิสโตแกรมของข้อมูลภาพก่อนและหลังการการปรับแก้เชิงรังสีเพ่ือตรวจสอบผลกระทบที่เกิดขึ้น โดยปกติ พิสัยของค่าความสว่างของแต่ละช่วงคลื่นจะแสดงในแกน X และความถี่ของแต่ละค่าความสว่างจะแสดงในแกน Y ซึ่งจุดสูงสุดในฮิสโตแกรมสอดคล้องกับประเภทการใช้ที่ดินหลัก ภาพที ่5.4 แสดงรูปแบบของฮิสโตแกรมที่มีการแจกแจงความถี่แบบสมมาตรและเบ้

ภาพที่ 5.4 ฮิสโตแกรมที่มีการแจกแจงความถี่แบบสมมาตรและเบ้ ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) 2. ค าอธิบายข้อมูลภาพ (image metadata) ค าอธิบายข้อมูล (metadata) คือ ข้อมูลหรือสารสนเทศเกี่ยวกับข้อมูล ระบบการประมวลผลภาพเชิงเลขส่วนใหญ่จะอ่าน รวบรวมและบันทึกค าอธิบายเกี่ยวกับข้อมูล ซึ่งมีความส าคัญและต้องท าการตรวจสอบเสมอ เนื่องจากผู้วิเคราะห์จะเข้าใจเนื้อหาของข้อมูลจากการรับรู้จากระยะไกลมากขึ้น โดยทั่วไป ค าอธิบายข้อมูลจะให้รายละเอียดเกี่ยวกับข้อมูล ดังต่อไปนี้ 1. ชื่อไฟล์ (file name) 2. วันที่ของการปรับปรุงครั้งสุดท้าย (date of last modification) 3. ระดับของการแจงหน่วย (level of quantization)

96


4. จ านวนของแถวและคอลัมน์ (number of rows and columns) 5. จ านวนของแบนด์ (number of bands) 6. ค่าสถิติแบบตัวแปรเดียว (univariate statistics) 7. ค่าสถิติแบบหลายตัวแปร (multivariate statistic) 8. ระบบพิกัดอ้างอิง (geo-referencing system) (ถ้ามี) 9. ขนาดของจุดภาพ (pixel dimension) 3. การตรวจสอบค่าความสว่างของแต่ละจุดภาพ การตรวจสอบค่าความสว่างของแต่ละจุดภาพในข้อมูลภาพ เป็นหนึ่งในวิธีการที่มีประโยชน์มากที่สุดส าหรับการประเมินคุณภาพและเนื้อหาของข้อมูล ในระบบการประมวลผลภาพเชิงเลขโดยทั่วไป โดยผู้วิเคราะห์สามารถดูค่าความสว่างได้โดยตรงผ่านจอแสดงผล โดยการระบุต าแหน่งที่ตั้งทางภูมิศาสตร์ในภาพและแสดงค่าความสว่างของจุดภาพของช่วงคลื่นที่ใช้ ซึ่งจะแสดงผลค่าความสว่างของแต่ละแบนด์ในรูปของเมทริกซ์ตอร์ ภาพที่ 5.5 แสดงการเรียกดูค่าความสว่างของข้อมูลภาพทั้งสองรูปแบบด้วยโปรแกรมประมวลผลภาพ ERDAS Imagine โดยที่ (a) ข้อมูลภาพ Landsat-TM (b) การใช้เคอร์เซอร์ตรวจสอบค่าความสว่างของจุดภาพ และ (c) ค่าความสว่างในขอบเขตทางภูมิศาสตร์ที่สนใจ

ภาพที่ 5.5 การตรวจสอบค่าความสว่าง ที่มา : (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554)

97


การปรับแก้เชิงรังสี

การปรับแก้เชิงรังสีจะปรับปรุงความถูกต้องของค่าการสะท้อนเชิงคลื่น ( spectral reflectance) การแผ่รังสี (emittance) หรือการวัดค่ากระเจิงย้อนกลับ (back-scattering) ที่ได้รับจากระบบการรับรู้จากระยะไกล การปรับแก้เชิงรังสีเป็นการประมวลผลเบื้องต้นที่ส าคัญ และต้องด าเนินการก่อนที่จะสกัดสารสนเทศ ผลที่คาดว่าจะได้รับจากการปรับแก้เชิงรังสี คือ ค่าพลังงานความเข้มแสง ณ เวลาของการเก็บรวบรวมข้อมูลภาพมีความถูกต้องสูงสุด โดยแหล่งที่มาของความผิดพลาดเชิงรังสี (radiometry error) ของข้อมูลภาพจากการรับรู้จากระยะไกล (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) ได้แก่ 1. ตัวตรวจจับ (detectors) เครื่องมือตรวจวัด (sensors) จากระยะไกลในปัจจุบันจะใช้ตัวตรวจจับเพ่ือแปลงรังสีที่ตรวจจับได้ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าหรือจ านวนเชิงเลข (digital number) ระบบของเครื่องมือตรวจวัดจะใช้ตัวตรวจจับหลายตัว และเนื่องจากความแปรผันของสัญญาณขาออกของตัวตรวจจับในแต่ละตัวท าให้ผลลัพธ์ที่ได้รับจากการแผ่รังสีในพื้นที่เดียวกันแตกต่างกัน 2. ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตัล (A/D converter) สามารถท าให้เกิดความคลาดเคลื่อนของการควอนไตซ์ (quantization) สัญญาณ โดยจะท าข้อมูลภาพมีคุณภาพต่ าลงในลักษณะที่คล้ายกับความคลาดเคลื่อนของตัวตรวจจับ 3. ผลกระทบจากบรรยากาศ (atmospheric Effects) ชั้นบรรยากาศมีผลต่อการกระเจิงและการลดของพลังงาน ดังนั้นจึงมีการพัฒนาเทคนิคเพ่ือชดเชยผลกระทบเหล่านี้ให้กับข้อมูลที่ได้รับจากเครื่องมือตรวจวัด โดยทั่วไป การลดผลกระทบท าโดยการเพ่ิมค่าอัตราการขยายให้กับช่วงคลื่นที่มีความยาวช่วงคลื่นสั้นซึ่งจะได้รับผลกระทบมาก 4. การรับแสงและลักษณะภูมิประเทศ (solar and topographic correction) ในการศึกษาข้อมูลภาพของพ้ืนที่ศึกษาเดียวกันจากการตรวจวัดต่างเวลาหรือต่างฤดูกาลกัน การผันแปรในมุมตกของแสงอาทิตย์ที่บนผิวโลก (variation in incidence angle) จะส่งผลให้รังสีสะท้อนที่เครื่องตรวจวัดได้ผันแปรตามไปด้วย ดังนั้น ข้อมูลภาพที่ผ่านการประมวลผลย่อมมีรายละเอียดที่แตกต่างกันไปด้วย โดยจะเกิดขึ้นมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับระดับความแตกต่างของมุมตกกระทบขณะตรวจวัดเป็นส าคัญ

โดยในกระบวนการตรวจแก้เชิงรังสีที่นิยมน าใช้ปรับแก้ข้อมูลการรับรู้จากระยะไกลตามแหล่งที่มาของความคลาดเคลื่อนเชิงคลื่นรังสีดังกล่าว คือ 1. การปรับแก้โดยการเทียบมาตรฐานตัวตรวจวัด 1.1 ความไวของเครื่องมือตรวจวัดกับความสว่าง ในกรณีเครื่องตรวจวัดแบบอิเล็กทรอนิกส์ระบบเลนส์ ความเข้มเฉลี่ยของแสงบริเวณที่ขอบด้านนอกของภาพ จะมีค่าน้อยกว่าที่พบบริเวณตอนกลางของภาพ เนื่องจากมีแสงเดินทางไปถึงบริเวณนั้นโดยเฉลี่ยต่ ากว่าท าให้เกิดเป็นเงาโค้งขึ้นบริเวณขอบภาพ เรียกว่า การลดค่าความสว่างบริเวณขอบภาพ (vignetting) (สุรภี อิงคากุล, 2548) การปรับแก้ความผิดพลาดของการลดค่าความสว่างบริเวณขอบภาพ คือ การใช้ตัวกรองซึ่งสามารถกรองความเข้มแสงได้ต่างกันในแต่ละทิศทางของการเคลื่อนที่ ซึ่งสามารถกรอง

98


ความเข้มแสงช่วงกลางภาพไว้มากที่สุดและช่วงขอบภาพน้อยที่สุด เพ่ือจะท าให้ความเข้มแสงบนภาพ มีการกระจายอย่างสม่ าเสมอมากยิ่งขึ้น (ทรงกต ทศานนท์, 2550) 1.2 สัญญาณรบกวน (noise reduction) เกิดจากความผิดปกติของเครื่องมือตรวจวัด โดยอาจเกิดจากการรบกวนทางอิเล็กทรอนิกส์ ความผิดปกติระหว่างการส่งผ่านข้อมูล หรือความผิดปกติระหว่างการบันทึกข้อมูล การปรับแกเ้ป็นการสร้างข้อมูลภาพในส่วนที่เกิดความผิดพลาดให้ถูกต้องตรงกับข้อมูลที่บันทึกได้จริงจากเครื่องตรวจวัดมากที่สุด ลักษณะของสัญญาณรบกวนที่เกิดข้ึน ได้แก่ 1.2.1 แถวข้อมูลขาดหายไป ( line dropout) เกิดจาก ตัวตรวจวัด (Detector) บางตัวในแถวของการตรวจวัดท างานผิดปกติ ซึ่งจะส่งผลให้ข้อมูลในแถวของตัวตรวจวัดนั้นขาดหายไปเป็นช่วงๆ (periodic line dropout) และเกิดเป็นแถบสีด าขึ้นแทน (ค่า DN = 0) ตัวอย่างเช่น หากตัวตรวจวัดของดาวเทียม Landsat ระบบ MSS ท างานผิดพลาด 1 ตัว จะท าให้แถวของข้อมูลหายไปในทุก 6 แถวที่ตรวจวัดได้ เนื่องจากระบบ MSS มีตัวตรวจวัด 6 ตัวท างานพร้อมกันในแต่ละช่วงคลื่นของการตรวจวัด (ภาพที่ 5.6) ทั้งนี้ หากเป็นระบบ TM จะพบว่าข้อมูลจะหายไปทุก 16 แถวที่ตรวจวัดได้ เนื่องจากมีตัวตรวจวัด 16 ตัวส าหรับแต่ละช่วงคลื่นของการตรวจวัด ยกเว้น Thermal การปรับแก้ความผิดพลาดของการเกิดแถวข้อมูลขาดหายไป แบ่งออกได้เป็น 2 ขั้นตอน (ทรงกต ทศานนท์, 2550) คือ ขั้นตอนที่ 1 ระบุแถวข้อมูลที่หายไป โดยวิธีการค านวณหาค่าความเข้มเฉลี่ยในแต่ละแถวของข้อมูลภาพ จากนั้นน าค่าเฉลี่ยในแต่ละแถวที่ค านวณได้มาเทียบกับค่าความเข้มเฉลี่ยของจุดภาพทั้งหมดบนภาพ หากค่าทั้งสองมีความแตกต่างกันมากเกินขีดจ ากัด (threshold) แสดงว่าข้อมูลแถวดังกล่าวมีความบกพร่องต้องได้รับการปรับแก้ ขั้นตอนที่ 2 ภายหลังจากระบุแถวที่บกพร่อง ขั้นตอนต่อมาคือปรับแกค้่าความเข้มในแถวที่หายไปให้กลับคืนมา โดยการแทนค่าความเข้มของแต่ละจุดภาพในแถวที่หายไป ด้วยค่าความเข้มเฉลี่ยของจุดภาพในคอลัมภ์เดียวกันของแถวบนและแถวล่างของจุดภาพที่ผิดพลาดนั้น ตามสมการที่ 5.1

2

),1(),1(),(

jiDNjiDNjiDN

(5.1)

โดยที่ DN(i,j) = ค่าความเข้มของจุดภาพ แถวที่ i คอมลัมภ์ที่ j

99


ภาพที่ 5.6 การเกิดแถวข้อมูลขาดหายไป ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550) 1.2.2 แถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน (line stripping) เกิดจากตัวตรวจวัดบางตัว เกิดความผิดพลาดระหว่างการท างาน เช่น เลื่อนขึ้นหรือเลื่อนลงจากต าแหน่งปกติ ส่งผล ให้ความเข้มของสัญญาณที่ตรวจวัดเกิดการคลาดเคลื่อนไป สิ่งที่เกิดตามมาคือข้อมูลบางแถวจะมีความเข้มมากหรือน้อยกว่าความเป็นจริง ท าให้มีสีเข้มขึ้นหรือจางลงกว่าแถวข้อมูลที่อยู่ใกล้เคียงกัน ตัวอย่างเช่น ดาวเทียม Landsat ระบบ MSS จะเกิดทุก 6 แถวของข้อมูลจากการตรวจวัดในช่วงคลื่นที่มีปัญหา และทุก 16 แถวข้อมูลของดาวเทียม Landsat ระบบ TM ภาพที่ 5.7 แสดงการเกิดแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน โดย (ก) ข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน และ (ข) ภาพที่ปรับแก้แล้ว การปรับแก้ความผิดพลาดของการเกิดแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน อาศัยวิธีปรับแก้ค่าฮิสโตแกรมของค่าความเข้มของข้อมูลภาพ (histogram matching) ประกอบด้วย 2 รูปแบบ (ทรงกต ทศานนท์, 2550) คือ (1) ปรับข้อมูลตามค่าฮิสโตแกรมเฉลี่ย โดยการสร้างกราฟฮิสโตแกรมของค่าความเข้มของสัญญาณจากตัวตรวจวัดแต่ละตัวในแต่ละช่วงคลื่นที่ใช้งาน (ตัวอย่างเช่น 6 กราฟส าหรับระบบ MSS และ 16 กราฟส าหรับระบบ TM) จากนั้นน าไปเปรียบเทียบกับกราฟฮิสโตแกรมเฉลี่ยของค่าความเข้มของสัญญาณจากตัวตรวจวัดแต่ละตัวในแต่ละช่วงคลื่น จากนั้นจึงปรับแก้ข้อมูลในช่วงคลื่นที่เกิดปัญหาให้มีรูปแบบการกระจายตัวของค่าความเข้มของสัญญาณให้สอดคล้องกับกราฟฮิสโตแกรมเฉลี่ยนั้น ซึ่งจะท าให้แถวข้อมูลที่มีปัญหาความเข้มไม่สม่ าเสมอดูมีความเข้มของสัญญาณต่อเนื่องกันมากขึ้น (2) ปรับข้อมูลตามค่าฮิสโตแกรมของจุดภาพต้นแบบ โดยการสร้างกราฟฮิสโตแกรมของค่าความเข้มของสัญญาณจากตัวตรวจวัดแต่ละตัวในแต่ละช่วงคลื่นที่ใช้ก่อน จากนั้นน าไปเปรียบเทียบกับกราฟฮิสโตแกรมของตัวตรวจวัดซึ่งใช้เป็นมาตรฐาน แล้วจึงปรับแก้ค่าฮิสโตแกรมของข้อมูลในช่วงคลื่นที่เกิดปัญหาให้สอดคล้องกับค่าอ้างอิงมาตรฐานดังกล่าว ซึ่งจะท าให้ได้ข้อมูลรวมที่มีความเข้มของสัญญาณสม่ าเสมอมากข้ึน

100


(ก) (ข)

ภาพที่ 5.7 การเกิดแถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน ที่มา : (CHRIS Toolbox for BEAM, 2008) 1.2.3 สัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper เกิดจากจุดภาพมีความเข้มของสัญญาณสูงหรือต่ ากว่าจุดภาพข้างเคียงมาก ท าให้เกิดเป็นจุดสีขาวหรือด าแทรกอยู่อย่างกระจัดกระจายบนภาพ (ภาพท่ี 5.8) สัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper เป็นสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นแบบกระจัดกระจายไม่มี รูปแบบจ า เพาะ เรี ยกว่ า สัญญาณรบกวนอย่ างไม่ เป็นระบบ (nonsystematic noise) ซึ่งแตกต่างกับสองกรณีแรกซึ่งเรียกว่า สัญญาณรบกวนอย่างเป็นระบบ (systematic noise) เนื่องจากมีการเกิดข้อผิดพลาดที่มีรูปแบบจ าเพาะ เช่น เกิดทุก 6 แถว ในระบบ MMS เป็นต้น การปรับแก้ความผิดพลาดของการเกิดสัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper คือการปรับแก้ค่าความเข้มของสัญญาณที่มีปัญหาโดยใช้ การกรองเชิงพ้ืนที่ (spatial filter) เช่น การกรองแบบค่าเฉลี่ย (averaging or mean filter) ขนาด 3x3 ซึ่งมีหลักการท างานแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอน (ทรงกต ทศานนท์, 2550) คือ ขั้นตอนที่ 1 ระบุจุดภาพที่มีปัญหา โดยการเปรียบเทียบความเข้มของสัญญาณทีละจุดภาพเมื่อตัวกรองเคลื่อนไป หากพบว่าค่าความเข้มของสัญญาณในจุดภาพศูนย์กลางของตัวกรองกับค่าความเข้มของสัญญาณเฉลี่ยของจุดภาพที่อยู่ข้างเคียง (neighbor cell) มีความแตกต่างกันมากเกินขีดจ ากัด แสดงว่าจุดภาพศูนย์กลางของตัวกรองดังกล่าวมีความบกพร่องต้องได้รับการปรับแก้ ขั้นตอนที่ 2 ภายหลังจากระบุจุดภาพที่บกพร่อง ขั้นตอนต่อมาคือปรับแก้ความเข้มของสัญญาณในจุดภาพ โดยการแทนค่าความเข้มของสัญญาณของจุดภาพนั้น ด้วยค่าความเขม้เฉลี่ย (mean) ของจุดภาพที่อยู่ข้างเคียง ภาพที่ 5.9 แสดงการปรับแก้ความผิดพลาดของการเกิดสัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper โดยใช้ตัวกรองแบบค่าเฉลี่ยขนาด 3x3 (ก) จุดภาพศูนย์กลางซึ่งค่าความเข้มของสัญญาณ (DN = 255) มีความแตกต่างกับจุดภาพที่อยู่ข้างเคียงมาก (ข) จุดภาพถูปรับแก้โดยการแทนค่าความเข้มของสัญญาณเฉลี่ยของจุดภาพที่อยู่ข้างเคียง (DN = 49)

101


ภาพที่ 5.8 สัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper ที่มา : (Anantharaj Manoj, 2012)

ภาพที่ 5.9 ตัวกรองแบบค่าเฉลี่ยขนาด 3x3 ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550) 2. การแปลงค่าความเข้มแสงเป็นค่าความเข้มสัมบูรณ์ ตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตัล (A/D converter) สามารถท าให้เกิดความคลาดเคลื่อนของการควอนไตซ์สัญญาณ โดยจะท าข้อมูลภาพมีคุณภาพต่ าลงในลักษณะที่คล้ายกับความคลาดเคลื่อนของตัวตรวจจับ โดยปกติ ในการบันทึกความเข้มแสงของตัวตรวจวัดจะบันทึกในรูปแบบของค่าความเข้มแสงที่เป็นเลขจ านวนเต็ม โดยใช้เทคนิคการควอนไตซ์ข้อมูล อย่างไรก็ตาม หากผู้ วิ เคราะห์ต้องการศึกษาข้อมูลรั งสีสัมบูรณ์ (absolute radiance: LA) ต้นฉบับที่มาถึงเครื่องตรวจวัด สามารถท าได้โดยการค านวณย้อนกลับจากค่าความเข้มแสงในแต่ละจุดภาพเพ่ือให้ได้ข้อมูลดั้งเดิมที่ไม่ข้ึนกับระบบตรวจวัดที่ใช้ โดยข้อมูล 8 บิต สามารถค านวณได้จากสมการ 5.2

minminmax

255LDN

LLLA

(5.2)

โดยที่ Lmin คือ ความเข้มของสัญญาณน าเข้าต่ าสุด Lmax คือ ความเข้มของสัญญาณน าเข้าสูงสุด

102


ข้อมูลภาพซึ่งสร้างมาจากสมการดังกล่าวเรียกว่า ภาพจากรังสีสัมบูรณ์ (radiance image) ของการตรวจวัด (ภาพที่ 5.3) โดยที่ค่า Lmax และ Lmin มีหน่วยเป็น Wm-2·sr-1·µm ซึ่งเป็นค่าจ าเพาะของตัวตรวจวัด ตัวอย่างเช่น ดาวเทียม Landsat ระบบ TM และ ETM+ แสดงดังตารางที่ 5.1 ตารางท่ี 5.1 ความเข้มรังสีของดาวเทียม Landsat ระบบ TM และ ETM+ ในแต่ละช่วงคลื่นของการตรวจวัด

Band

Sensor Extraterrestrial solar irradiance for ETM+

(Wm-2·µm) Landsat5-TM

Landsat7-ETM+ (Low gain)

Landsat7-ETM+ (High gain)

Lmax Lmin Lmax Lmin Lmax Lmin 1 193.0 -1.52 293.7 -6.2 191.6 -6.2 1969.0 2 365.0 -2.84 300.9 -6.4 196.5 -6.4 1840.0 3 264.0 -1.17 234.4 -5.0 152.9 -5.0 1551.0 4 221.0 -1.51 241.1 -5.1 157.4 -5.1 1044.0 5 30.2 -0.37 47.57 -1.0 31.06 -1.0 225.7 6 15.3 1.24 17.04 0.0 12.65 3.2 - 7 16.5 -0.15 16.54 -0.35 10.80 -0.35 82.07 8 - - 243.1 -4.7 158.3 -4.7 1368.0

ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550) ระบบ ETM+ จะมีสมการการแปลง 2 รูปแบบ เรียกว่า High gain และ Low gain โดยที่ High gain จะใช้ส าหรับพ้ืนผิวที่มีค่าความสว่างน้อย (มีความไวต่อแสงความเข้มต่ ามาก) และ Low gain จะใช้ส าหรับพื้นผิวที่มีค่าความสว่างมาก (อ่ิมตัวที่ระดับความเข้มแสงที่สูง) แสดงดังภาพที่ 5.10 ทั้งนี้ การปรับเปลี่ยนระบบการท างานระหว่าง High gain และ Low gain จะพิจารณาแบบเดือนต่อเดือน และท าไปตามความเหมาะสมของระดับความสว่างของพ้ืนผิวโดยเฉลี่ย ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามฤดูกาลส าหรับแต่ละพ้ืนผิวตามแนวละติจูด ส าหรับพื้นผิวที่ก าหนดไว้มี 6 กลุ่มคือ 1. พ้ืนดิน (land-non desert, non ice) 2. ทะเลทราย (desert) 3. น้ าแข็ง/หิมะ (ice/snow) 4. พ้ืนน้ า (water) 5. ทะเลน้ าแข็ง (sea ice) และ 6. ภูเขาไฟ/ช่วงกลางคืน (volcano/night) (ทรงกต ทศานนท์, 2550)

103


ภาพที่ 5.10 การแปลงข้อมูลจากแบบอนาล็อกเป็นแบบดิจิตัล (A-to-D) ของระบบ ETM+ ที่มา : (ทรงกต ทศานนท์, 2550) 3. การปรับแก้เชิงรังสีจากบรรยากาศ ในหลักการ พลังงานการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์จะส่งตรงไปยังพ้ืนดินทั้งหมด หากโลกปราศจากบรรยากาศ แต่ในความเป็นจริง พลังงานการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์เพียงบางส่วนที่จะถูกส่งถึงพ้ืนดิน เนื่องจากเกิดการกระเจิงและการดูดกลืนของพลังงานในบรรยากาศ ปริมาณของพลังงานการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ที่ส่งถึงพ้ืนดิน เรียกว่า การส่งพลังงาน (transmittance) ค่าการแผ่รังสี (radiance, L) ที่ถูกบันทึกโดยกล้องถ่ายภาพหรือเครื่องตรวจวัดเป็นฟังก์ชันของปริมาณการแผ่รังสีที่ปลดปล่อยจากพ้ืนที่เป้าหมายภายใต้สนามมุมมอง ณ ขณะนั้น (IFOV) ณ ขนาดมุมตัน (solid angle)1 แต่ในความเป็นจริง จะมีพลังงานการแผ่รังสีจากส่วนอ่ืนส่งผ่านเข้าสู่สนามมุมมองจากหลายเส้นทางและเพ่ิมสัญญาณรบกวนให้กับกระบวนการของการรับรู้จากระยะไกล ดังนั้น การก าหนดตัวแปรทางคลื่นรังสีเพ่ิมเติมเป็นสิ่งจ าเป็นเพ่ือจ าแนกแหล่งก าเนิดและเส้นทางของพลังงาน ภาพที่ 5.11 แสดงการส่งผ่านพลังงานและปัจจัยที่ส่งผลต่อการแผ่รังสีไปสู่เครื่องมือตรวจวัด โดย (1) การแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ถูกลดทอนสัญญาณบางส่วนก่อนตกกระทบกับภูมิประเทศภายใต้สนามมุมมอง ณ ขณะนั้น (IFOV) (2) การกระเจิงของรังสีในบรรยากาศที่ไม่กระทบพ้ืนผิวโลก ซึ่งพลังงานเหล่านี้อาจกระเจิงเข้าสู่สนามมุมมอง ณ ขณะนั้น (IFOV) ของระบบเครื่องมือตรวจวัดโดยบังเอิญ (3) การกระเจิงในบรรยากาศแบบ Rayleigh Mie และ Nonselective และอาจมาจากการดูดกลืนและการแผ่รังสีความร้อนก่อนตกกระทบกับภูมิประเทศ (4) การแผ่รังสีซึ่งสะท้อนหรือกระเจิงจากภูมิประเทศข้างเคียงที่ไม่ได้ปลดปล่อยจากพ้ืนที่ศึกษาจริงซึ่งอาจผ่านเข้าสู่สนามมุมมอง ณ ขณะนั้น (IFOV) ของระบบเครื่องมือตรวจวัด และ (5) พลังงานที่สะท้อนจากภูมิประเทศข้างเคียงเกิดการกระเจิงหรือการสะท้อนกระทบพ้ืนที่ศึกษา

1 มุมยอดของรูปกรวยตรง (right cone) มีหน่วย สเตอเรเดียน (steradian)

104


ภาพที่ 5.11 การส่งผ่านพลังงานและปัจจัยที่ส่งผลต่อการแผ่รังสีไปสู่เครื่องมือตรวจวัด ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) การปรับแก้ความคลาดเคลื่อนเชิงรังสีจากบรรยากาศ โดยอาศัยการจ าลองการส่งผ่านการแผ่รังสี (radiative transfer modeling) จะให้ผลลัพธ์ของการประมาณค่าผลกระทบจากกระเจิงและการดูดกลืนของบรรยากาศที่ใกล้เคียงกับความเป็นจริง แต่อย่างไรก็ตาม การได้มาของข้อมูลคุณสมบัติของบรรยากาศจะมีความยุ่งยาก ดังนั้น จึงมีการพัฒนาเทคนิคการตรวจปรับแก้เชิงรังสีที่ลดความยุ่งยากลง โดยอาศัยข้อเท็จจริงคือ ข้อมูลอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นมากกว่า 0.7 m จะได้รับผลกระทบจากการกระเจิงในบรรยากาศน้อย ในขณะที่ ข้อมูลในช่วงสายตามองเห็นที่มีความยาวคลื่นระหว่าง 0.4 - 0.7 m จะได้รับผลกระทบจากการกระเจิงในบรรยากาศมาก 2 รูปแบบ ดังต่อไปนี้ (1) การปรับแก้โดยอาศัยแบบจ าลองการถดถอย โดยพิจารณาค่าการสะท้อนของ เขตอับแสง (shadow) บนพื้นผิวโลก ตัวอย่างกรณดีาวเทียม Landsat ความเข้มของรังสีของช่วงคลื่นที่ 7 ที่ตรวจวัดได้จะต่ ามาก ในขณะเดียวกันช่วงคลื่นอ่ืน เช่น ช่วงคลื่นที่ 4 อาจมีความเข้มของรังสีสูงขึ้นอย่างผิดปกติ เนื่องจากเกิดการกระเจิงของแสงจากภูมิประเทศข้างเคียงจผ่านเข้าสู่สนามมุมมอง ณ ขณะนั้น (IFOV) มายังตัวตรวจวัด จากนั้นสร้างกราฟค่าการสะท้อนในปริภูมิรังสีเทียบกันทุกจุดภาพ หากไม่เกิดผลกระทบจากการกระเจิง กราฟควรผ่านจุดก าเนิดหรือเขตอับแสงของภาพ (DN = 0)

105


ภาพที่ 5.12 แสดงการปรับแก้โดยอาศัยแบบจ าลองการถดถอย เพ่ือลดความคลาดเคลื่อนที่เกิดขึ้น ค่า offset จะถูกน ามาลบออกจากค่าความเข้มของสัญญาณในแต่ละจุดภาพของข้อมูลแต่ละช่วงคลื่นที่มีการปรับแก้

ภาพที่ 5.12 การปรับแก้โดยอาศัยแบบจ าลองการถดถอย ที่มา : ปรับปรุงจาก (Sabins, F. F., 1997) (2) การปรับแก้เชิงรังสีโดยอาศัยการปรับค่าฮิสโตแกรม วิธีการนี้จะประเมินค่าฮิสโตแกรมของช่วงคลื่นต่างๆ ที่ต้องการปรับแก้โดยอาศัยข้อมูลในช่วงคลื่นที่ได้รับผลกระทบน้อยมาใช้เป็นมาตรฐาน ตัวอย่างเช่น ข้อมูล Landsat ระบบ TM หากมีการกระเจิงเกิดขึ้น การกระจายตัวของฮิสโตแกรมช่วงคลื่นที่ 7 มักพบว่ามีค่าฮิสโตแกรมเท่ากับศูนย์ปรากฏอยู่ ในขณะที่ฮิสโตแกรมของช่วงคลื่นอื่นจะไม่เริ่มต้นที่ค่าศูนย์ ภาพที่ 5.13 แสดงการปรับแก้เชิงรังสีโดยอาศัยการปรับค่าฮิสโตแกรมของข้อมูล TM โดยที่ (ก) ค่าฮิสโตแกรมต้นฉบับช่วงคลื่น 1 2 3 และ 4 (ข) การปรับค่าฮิสโตแกรมโดยการน าค่าฮิสโตแกรมต่ าสุดไปลบออกจากค่าความเข้มของสัญญาณในแต่ละจุดภาพของข้อมูลแต่ละช่วงคลื่นที่มีการปรับแก ้ได้แก่ 51 17 14 และ 4 ตามล าดับ 4. การปรับแก้เชิงรังสีจากแสงอาทิตย์และภูมิประเทศ Jensen, J. R. (2005) กล่าวว่า ความลาดชันและทิศลาดเขาของภูมิประเทศก่อให้เกิดความผิดเพ้ียนเชิงรังสีของสัญญาณที่ถูกบันทึกได้ หรือผลกระทบต่อค่าความสว่างของจุดภาพในบริเวณพ้ืนที่ศึกษาซึ่งอาจมีเงาบดบังอยู่ ด้วยเหตุนี้ การขจัดผลกระทบจากภูมิประเทศโดยเฉพาะข้อมูลแบบมัลติสเปคทรัลในบริเวณพ้ืนที่ภูเขา โดยอาศัยการปรับแก้เชิงรังสีจากความลาดชันและทิศลาดเขาคือ การขจัดความแปรผันของค่าการสะท้อนของสัญญาณที่เกิดจากภูมิประเทศ ผลลัพธ์ที่ได้คือ วัตถุใดๆ ที่มีคุณสมบัติการสะท้อนเหมือนกันจะให้ค่าความสว่างในข้อมูลภาพเหมือนกัน แม้ว่าการจัดเรียงต าแหน่งของวัตถุทั้งสองกับต าแหน่งของดวงอาทิตย์จะแตกต่างกัน การปรับแก้ความผิดพลาดของการเกิดผลกระทบจากแสงอาทิตย์และภูมิประเทศ โดยเทคนิคพ้ืนฐานที่ใช้กันมากคือ การตรวจแก้แบบโคไซน์อย่างง่าย (simple cosine correction) ด้วยวิธีการหารค่า DN ของทุกจุดภาพที่พบบนภาพที่ศึกษา ด้วยค่าโคไซน์ (cosine) ของมุมที่เบนออกจาก

106


แนวดิ่งของแสงตกกระทบ () โดยมีสมมุติฐาน คือ 1. พ้ืนผิวเป็นแบบแลมเบิร์ท (Lambertian surface) ซึ่งสะท้อนแสงในทุกทิศทางเท่ากัน 2. ระยะห่างระหว่างโลกและดวงอาทิตย์มีค่าคงที่ และ 3. ปริมาณพลังงานจากดวงอาทิตย์ที่ส่องสว่างถึงโลกมีค่าคงที่ ดังนั้น การอาบรังสีที่ส่งลงมาทั้งหมด (total incoming irradiance, Eg) จะมีเฉพาะส่วนของค่าโคไซน์ของมุมตกกระทบของจุดภาพที่เอียง การตรวจแก้คลื่นรังสีจากความลาดชันและทิศลาดเขาแบบอย่างง่ายโดยอาศัยสมการโคไซน์ สามารถค านวณได้ดังสมการที่ 5.3 (ภาพท่ี 5.14)

iT

LH

Lcos

cos

(5.3)

โดยที่ LH คือ การแผ่รังสีที่ตรวจวัดได้จากพ้ืนผิวแนวราบ (ข้อมูลปรับแก้ความผิดพลาด) LT คือ การแผ่รังสีที่ตรวจวัดได้จากพ้ืนผิวในแนวลาดชัน (ข้อมูลต้นฉบับ) คือ มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์เทียบกับแนวดิ่ง (sun’s zenith angle) i คือ มุมตกกระทบของแสงอาทิตย์ (sun’s incidence angle) ที่สัมพัทธ์กับแนวปกติบนจุดภาพ

(ก) (ข)

ภาพที่ 5.13 การปรับแก้เชิงรังสีโดยอาศัยการปรับค่าฮิสโตแกรม ที่มา : (Jensen, J. R., 2005)

107


ภาพที่ 5.14 มุมตกกระทบของดวงอาทิตย์ (i) และมุมตกกระทบของแสงอาทิตย์เทียบกับแนวดิ่ง (o) ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) การปรับแก้เชิงเรขาคณิต

การปรับแก้เชิงเรขาคณิตเกี่ยวข้องกับการวางต าแหน่งการวัดค่าการสะท้อนคลื่นแสง การแผ่รังสี หรือการวัดค่ากระเจิงย้อนกลับ หรือผลผลิตที่สร้างขึ้น ให้มีต าแหน่งขอ งแผนที่แบบราบ (planimetric map) ถูกต้อง โดยสามารถเชื่อมโยงกับสารสนเทศเชิงพ้ืนที่อ่ืนในระบบสารสนเทศทางภูมิศาสตร์ (GIS) หรือระบบสนับสนุนการตัดสินใจเชิงพ้ืนที่ (SDSS) ได ้(สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) โดยแหล่งที่มาของความผิดพลาดทางเรขาคณิต (geometry Error) ของข้อมูลภาพจากการรับรู้จากระยะไกล ได้แก่ (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) 1. ความคลาดเคลื่อนอย่างเป็นระบบ (systematic errors) ความผิดพลาดลักษณะนี้เกิดขึ้นจากตัวระบบการรับรู้จากระยะไกลเอง รวมถึงการหมุนของโลกหรือความโค้งของโลก ซึ่งท าให้สามารถคาดการณ์สาเหตุได้ ประกอบด้วย 1.1 การเฉของภาพ ( image offset) ดาวเทียมส ารวจโลกแบบโคจรตามตะวัน (Sun-synchronous satellite) จะมีวงโคจรแบบคงที่ โดยจะบันทึกข้อมูลภาพในแนวทางเคลื่อนที่จากทิศเหนือลงสู่ทิศใต้ ในขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนที่โลกที่อยู่ด้านล่างจะหมุนรอบตัวเองจากทิศตะวันตกไปทางทิศตะวันออก ปฏิกิริยาสัมพันธ์นี้จะท าให้เกิดการเฉ (skew) ของภาพทางเรขาคณิตขึ้นในเวลาเดียวกับการบันทึกข้อมูลในกรอบภาพ (Jensen, J. R., 2005) โดยในการปรับแก้ความเฉ (deskewing) จะเป็นการเลื่อนต าแหน่งของจุดภาพทางทิศตะวันตกในกรอบของข้อมูลภาพเพ่ือแก้ไขปฏิกิริยาสัมพันธ์ระหว่างความเร็วเชิงมุมของระบบเครื่องตรวจวัดบนดาวเทียมและความเร็วในการหมุนตัวของพ้ืนผิวโลก โดยทั่วไป ผู้ให้บริการข้อมูลดาวเทียมจะท าการปรับแก้ความเฉของข้อมูลแบบอัตโนมัติก่อนที่จะจ าหน่ายข้อมูลให้กับลูกค้า ภาพที่ 5.15 แสดงความเฉของภาพเกิดจากผลการหมุนของโลก (a) ดาวเทียม Landsat 4 5 และ 7 ที่มีวงโคจรแบบตามตะวันด้วยมุมเอียง 98.2° โดยที่โลกหมุนรอบแกนตัวเองจากทิศตะวันตกไปทางตะวันออกในขณะที่มีการบันทึกภาพ (b) จุดภาพในแถบสแกน 3 แนว (16 เส้นต่อแนว) ของข้อมูลใน

108


เมตริกซ์ของภาพดูเสมือนถูกต้อง ซึ่งความเป็นจริงประกอบด้วยความผิดพลาด (c) ผลที่ได้รับจากการปรับแก้ความเฉข้อมูลภาพต้นฉบับไปทางทิศตะวันตกเพ่ือชดเชยผลจากการหมุนของโลก

ภาพที่ 5.15 ความเฉของภาพเนื่องจากการหมุนของโลก ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) 1.2 การแปรผันของความละเอียดทางภาคพ้ืนดินของจุดภาพ (variation in ground resolution cell size) ระบบการสแกนแบบหลายช่วงคลื่นจากดาวเทียมจะสแกนด้วยมุมขนาดเล็กออกจากเส้นในแนวดิ่งที่ตั้งฉากกับผิวโลก (Nadir) ในระหว่างบันทึกข้อมูลในระดับความสูงเหนือพ้ืนผิวโลกหลายร้อยกิโลเมตร ลักษณะการปฏิบัติงานนี้จะช่วยลดขนาดความบิดเบี้ยวที่เกิดจากระบบการสแกนให้เกิดขึ้นน้อยสุด ในขณะที่ ระบบการสแกนแบบหลายช่วงคลื่นจากสถานีติดตั้งที่ปฎิบัติงานในระดับความสูงเหนือพ้ืนดินที่ต่ ากว่า จะมีสนามมุมมอง (FOV) ของการสแกนกว้างกว่า ลักษณะการปฏิบัติงานนี้จะก่อให้เกิดความผิดพลาดทางเรขาคณิตมากกว่าในหลายรูปแบบซึ่งมีความยุ่งยากในการปรับแก้ (Jensen, J.R., 2005) แสดงดังภาพที ่5.16

109


ภาพที่ 5.16 การแปรผันของความละเอียดทางภาคพ้ืนดินของจุดภาพที่เกิดจากสถานีติดตั้ง ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) 1.3 การเลื่อนต าแหน่ งจากความสู งต่ าของผิวโลก (relief displacement) ข้อมูลภาพที่ได้จากการบันทึกโดยระบบการสแกนแบบตั้งฉากกับแนวบิน (across-track scanning system) จะเกิดการเลื่อนต าแหน่งจากความสูงต่ าของผิวโลกในลักษณะเดียวกับภาพถ่ายอากาศแนวดิ่ง แต่ความผิดพลาดจะเกิดขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับแนวการบินแทนที่จะเกิดในแนวรัศมีจากจุดมุขยส าคัญ (principal Point) แบบภาพถ่ายทางอากาศ โดยหาก ความสูงของวัตถุเหนือพ้ืนดินและระยะห่างของวัตถุจากแนวดิ่งยิ่งมาก ขนาดการเลื่อนต าแหน่งจากความสูงต่ าของผิวโลกยิ่งปรากฏชัดขึ้น (Jensen, J. R., 2005) แสดงดังภาพที่ 5.17 โดย (a) ภาพในแนวดิ่ง (b) การเลื่อนต าแหน่งจากความสูงต่ าของผิวโลก 1.4 การบิดเบี้ยวของมาตราส่วนจากแนวสัมผัส (tangential scale distortion) เครื่องตรวจวัดจะสแกนระยะทางในภูมิประเทศในแนวดิ่งสั้นกว่าบริเวณขอบภาพ เนื่องจากกระจกหมุนในอัตราคงที่ จากความสัมพันธ์นี้ จะท าให้ เกิดการบีบอัดทางเรขาคณิต ( geometric compression) ของรูปลักษณ์ตามแนวแกนที่ตั้งฉากกับแนวการบิน โดยหาก ระยะห่างทางภาคพ้ืนดินของจุดภาพจากแนวดิ่งยิ่งมาก การบีบอัดมาตราส่วนของภาพยิ่งสูง (Jensen, J. R., 2005) ภาพที่ 5.17 แสดงลักษณะการบิดเบี้ยวทางเรขาคณิตทางแนวสัมผัสและการบีบอัด โดยความผิดพลาดในบริเวณที่อยู่ไกลจากแนวดิ่งจะท าให้รูปลักษณ์เชิงเส้นตรง เช่น ถนน ทางรถไฟ เป็นต้น มีรูปร่างแบบตัวเอส (s-shape) หรือการบิดเบี้ยวแบบคดโค้ง (sigmoid distortion) เมื่อบันทึกภาพจากเครื่องสแกน (Jensen, J. R., 2005)

110


ภาพที่ 5.17 การเลื่อนต าแหน่งจากความสูงต่ าของผิวโลก และการบิดเบี้ยวมาตราส่วนจากแนวสัมผัส ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) 2. ความคลาดเคลื่อนอย่างไม่เป็นระบบ (nonsystematic errors) ความผิดพลาดลักษณะนี้เกิดจากปรากฏการณ์ที่แปรผันในธรรมชาติตามเวลาและสถานที่ ตัวแปรภายนอกที่ส าคัญสูงสุดคือการเคลื่อนที่ของสถานีติดตั้งขณะบันทึกข้อมูล ประกอบด้วย 2.1 การเปลี่ยนแปลงระดับความสูง (altitude change) ระบบของการรับรู้จากระยะไกลจะบันทึกข้อมูลในระดับความสูงเหนือพ้ืนดิน (above ground level, AGL) แบบคงท่ี ท าให้ภาพถ่ายมีมาตราส่วนเท่ากันตลอดแนวการบิน หากสถานีติดตั้งค่อยๆ เปลี่ยนระดับความสูงของแนวบิน มาตราส่วนของภาพถ่ายจะเปลี่ยนแปลงตาม แสดงดังภาพที่ 5.18a 2.2 การเปลี่ยนแปลงการวางตัวของอากาศยานหรือยานอวกาศ (attitude change) โดยปกติ สถานีติดตั้งจะเสถียรหากไม่ถูกปะทะจากความแปรปรวนของบรรยากาศ สถานีติดตั้งที่อยู่ในระดับความสูงที่ต่ ากว่าจะเผชิญกับบรรยากาศแบบม้วนขึ้น (updrafts) และม้วนลง (downdrafts) ลมปะทะทางหัว (head-winds) ลมปะทะทางหาง (tail-winds) และลมปะทะทางล าตัว (cross-winds) ในขณะบันทึกข้อมูล ซึ่งเป็นสาเหตุท าให้สถานิติดตั้งหมุนที่เรียกว่า การเอียงข้าง (roll) การกระดก (pitch) และการหันเห (yaw) แสดงดังภาพที่ 5.18b

โดยกระบวนการปรับแก้เชิงเรขาคณิตที่นิยมน าใช้ปรับแก้ข้อมูลการรับรู้จากระยะไกลมี 2 ประเภท (สุวิทย์ อ๋องสมหวัง, 2554) ประกอบด้วย 1. การปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่ (image-to-map rectification) การปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่เป็นกระบวนการปรับแก้เรขาคณิตของภาพให้เป็นข้อมูลแบบราบ โดยหากต้องการท าการตรวจวัดพ้ืนที่ (area) ทิศทาง (direction) และระยะทาง (distance) ที่มีความแม่นย า ควรท าการการปรับแก้โดยใช้วิธีการนี้ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ไม่สามารถขจัดการบิดเบี้ยวที่มีสาเหตุมาจากความสูงต่ าของภูมิประเทศได้ทั้งหมด โดยกระบวนการของการปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่ผู้ปรับแก้จะต้องเลือกจุดควบคุมทางภาคพ้ืนดิน (ground control point: GCP) ในภาพและในแผนที่ที่มีค่าพิกัดให้มีต าแหน่งตรงกัน แสดงดังภาพที่ 5.19

111


ภาพที่ 5.18 ความผิดพลาดทางเรขาคณิตที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงระดับความสูง และการวางตัวของสถานีติดตั้ง ที่มา : (Jensen, J. R., 2005)

112


ภาพที่ 5.19 การปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่ ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) 2. การปรับแก้แบบภาพสู่ภาพ (image-to-image registration) การปรับแก้แบบภาพสู่ภาพเป็นกระบวนการปรับแนวโดยการเลื่อนและหมุน หรือการตรึงภาพ โดยวิธีนี้ ภาพ 2 ภาพ ซึ่งมีเรขาคณิตและมีพ้ืนที่ทางภูมิศาสตร์เหมือนกันจะถูกก าหนดต าแหน่งให้ตรงกันจากภาพหนึ่งไปสู่อีกภาพหนึ่ง ดังนั้น องค์ประกอบของพ้ืนที่ทางภาคพ้ืนดินที่เหมือนกันจะปรากฏเหมือนกันบนภาพที่ถูกตรึง การปรับแก้วิธีนี้ เหมาะสมกับงานที่ไม่ให้ความส าคัญของการก าหนดค่าพิกัด x, y ตามโปรเจคชันของแผนที่ให้กับแต่ละจุดภาพ ตัวอย่างเช่น เมื่อต้องการตรวจสอบข้อมูลภาพที่บันทึกในเวลาที่แตกต่างกันเพ่ือดูการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้น โดยไม่สนใจความถูกต้องของค่าพิกัด แสดงดังภาพที่ 5.20 ทั้งนี้ หากน าภาพที่ถูกปรับแก้แบบภาพสู่ภาพถูกใช้เป็นแผนที่ฐานอ้างอิง เพ่ือปรับแก้ภาพใดๆ ต่อไป ควรค านึงเกี่ยวกับความผิดพลาดทางเรขาคณิตซึ่งอาจถูกสืบทอดมาจากภาพอ้างอิงด้วย การปรับแก้ โดยใช้วิ ธีนี้ เ รี ยกว่ า การปรับแก้แบบผส ม (hybrid approach to image rectification/registration)

113


ภาพที่ 5.20 การปรับแก้แบบภาพสู่ภาพ ที่มา : (Jensen, J. R., 2005) สรุป

ข้อมูลภาพเชิงเลขต้นฉบับที่ได้จากการบันทึกของเครื่องตรวจวัดจากการรับรู้ระยะไกลมักจะมีค่าความคลาดเคลื่อนปรากฏอยู่หลายรูปแบบซึ่งอาจเกิดได้มาจากหลายปัจจัย รวมทั้งคุณภาพของข้อมูลในเบื้องต้นอาจยังไม่ได้คุณภาพเพียงพอส าหรับการน ามาศึกษาหรือวิเคราะห์ผล ดังนั้น การประมวลผลเบื้องต้นในการประมวลผลภาพเชิงเลข เป็นการประเมินคุณภาพของภาพและการประเมินผลทางสถิติ ประกอบด้วย คุณลักษณะของฮิสโตแกรมของข้อมูลจากการรับรู้จากระยะไกลซึ่งเป็นข้อมูลภาพแบบกราฟิกของการแจกแจงความถี่ในแต่ละช่วงคลื่นที่สอดคล้องกับประเภทการใช้ที่ดินหลัก ค าอธิบายข้อมูลภาพ และการตรวจสอบค่าความสว่างของแต่ละจุดภาพส าหรับการประเมินคุณภาพและเนื้อหาของข้อมูล การปรับแก้เชิงรังสี จะปรับปรุงความถูกต้องของค่าการสะท้อนเชิงคลื่น การแผ่รังสี หรือการวัดค่ากระเจิงย้อนกลับ ของข้อมูลการรับรู้จากระยะไกล ซึ่งเกิดจาก 1) ความคลาดเคลื่อนของตัวตรวจจับ ที่ท าให้เกิด (1) การลดค่าความสว่างบริเวณขอบภาพ ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยอาศัยการกรองเชิงพ้ืนที่ และ (2) สัญญาณรบกวน ได้แก่ (ก) แถวข้อมูลขาดหายไป ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยการแทนค่าความเข้มของแต่ละจุดภาพในแถวที่หายไป ด้วยค่าความเข้มเฉลี่ยของจุดภาพในคอลัมภ์เดียวกันของแถวบนและแถวล่างของจุดภาพที่ผิดพลาด (ข) แถวข้อมูลมีความเข้มไม่เท่ากัน ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยอาศัยวิธีปรับแก้ค่าฮิสโตแกรมของค่าความเข้มของข้อมูลภาพ และ (ค) สัญญาณรบกวนแบบ Salt and pepper ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยอาศัยตัวกรองข้อมูลเชิงพ้ืนที่ 2) ในขั้นตอนการแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นสัญญาณดิจิตัล ในการควอนไตซ์สัญญาณอาจท าให้เกิดความคลาดเคลื่อนเชิงรังสีขึ้นได้ หากต้องการศึกษาข้อมูลรังสีสัมบูรณ์ต้นฉบับที่มาถึงเครื่องตรวจวัด สามารถท าได้โดยการค านวณย้อนกลับจากค่าความเข้มแสงในแต่ละจุดภาพเพ่ือให้ได้ข้อมูลดั้งเดิมที่ไม่

114


ขึ้นกับระบบตรวจวัดที่ใช้ 3) ผลกระทบจากบรรยากาศ ซึ่งจะท าให้ค่าการแผ่รังสีที่ถูกบันทึกโดยตัวตรวจวัดเกิดความคลาดเคลื่อน เนื่องจากรังสีส่วนอ่ืนส่งผ่านเข้าสู่สนามมุมมองและเพ่ิมสัญญาณรบกวนให้กับระบบการตรวจวัด ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยอาศัยแบบจ าลองการถดถอยและการปรับค่าฮิสโตแกรม และ 4) การรับแสงของวัตถุและลักษณะภูมิประเทศ ที่มีความลาดชันของภูมิประเทศก่อให้เกิดความผิดเพ้ียนเชิงรังสีของสัญญาณที่ถูกบันทึกได้ ซึ่งสามารถปรับแก้ได้โดยการขจัดความแปรผันของค่าการสะท้อนของสัญญาณที่เกิดจากภูมิประเทศ ซึ่งจะท าให้วัตถุมีค่าความสว่างในข้อมูลภาพเหมือนกันในทุกต าแหน่งตกกระทบของแสงอาทิตย์ การปรับแก้เชิงเรขาคณิต เกี่ยวข้องกับความถูกต้องของการวางต าแหน่งของแผนที่แบบราบ ซึ่งเกิดขึ้นจาก 1) ความคลาดเคลื่อนอย่างเป็นระบบ เกิดจากตัวระบบการรับรู้จากระยะไกลเอง ได้แก่ (1) การเฉของภาพ เกิดขึ้นเนื่องจากระบบบันทึกข้อมูลท างานในขณะที่ดาวเทียมเคลื่อนที่ในแนวทิศเหนือลงสู่ทิศใต้ พร้อมกับโลกหมุนรอบตัวเองจากทิศตะวันตกไปทางทิศตะวันออก (2) การแปรผันของความละเอียดทางภาคพ้ืนดินของจุดภาพ เกิดจากการบันทึกข้อมูลของระบบการสแกนด้วยมุมเบนออกจากแนวดิ่งเดียวกันที่ระดับความสูงเหนือผิวโลกต่างกัน โดยสถานีติดตั้งที่ท างานระดับความสูงมากกว่าจะเกิดความผิดเพ้ียนของข้อมูลน้อยกว่า (3) การเลื่อนต าแหน่งจากความสูงต่ าของผิวโลก เกิดจากการบันทึกข้อมูลของระบบการสแกนแบบตั้งฉากกับแนวบิน โดยความผิดพลาดจะเกิดขึ้นในทิศทางที่ตั้งฉากกับแนวการบิน ซึ่งแตกต่างกับภาพถ่ายทางอากาศที่จะเกิดในแนวรัศมีจากจุดมุขยส าคัญ โดยหากความสูงของวัตถุเหนือพ้ืนดินและระยะห่างของวัตถุจากแนวดิ่งยิ่งมาก ขนาดการเลื่อนต าแหน่งจะปรากฏชัดขึ้น และ (4) การบิดเบี้ยวของมาตราส่วนจากแนวสัมผัส เกิดข้ึนจากเครื่องสแกนขวางแนวโคจรซึ่งกระจกจะหมุนในอัตราคงที่ขณะที่สแกนผ่านภูมิประเทศ หากระยะห่างของจุดภาพจากแนวดิ่งยิ่งมากความผิดพลาดในบริเวณที่อยู่ไกลจากแนวดิ่งจะท าให้รูปลักษณ์เชิงเส้นตรงเกิดการบิดเบี้ยวเพ่ิมขึ้น และ 2) ความคลาดเคลื่อนอย่างไม่เป็นระบบ เกิดจากตัวแปรภายนอกคือ ปรากฏการณ์ที่แปรผันในธรรมชาติตามเวลาและสถานที่ ประกอบด้วย (1) การเปลี่ยนแปลงระดับความสูง เกิดจากการที่สถานีติดตั้งเปลี่ยนระดับความสูงของแนวบินซึ่งท าให้มาตราส่วนของภาพเปลี่ยนแปลงตาม และ (2) การเปลี่ยนแปลงการวางตัวของอากาศยานหรือยานอวกาศ เกิดขึ้นจากสถานีติดตั้งเผชิญกับบรรยากาศ ที่เรียกว่าการเอียงข้าง การกระดก และการหันเห ซึ่งท าให้มาตราส่วนของภาพเปลี่ยนแปลงตาม กระบวนการปรับแก้เชิงเรขาคณิตมี 2 ประเภท 1) การปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่ โดยกระบวนการนี้ ต้องเลือกจุดควบคุมทางภาคพ้ืนดินในภาพและในแผนที่ที่มีค่าพิกัดให้มีต าแหน่งตรงกัน และ 2) การปรับแก้แบบภาพสู่ภาพ โดยวิธีนี้ ภาพ 2 ภาพ ซึ่งมีเรขาคณิตและมีพ้ืนที่ทางภูมิศาสตร์เหมือนกันจะถูกก าหนดต าแหน่งให้ตรงกันจากภาพหนึ่งไปสู่อีกภาพหนึ่ง แบบฝึกหัดท้ายบทท่ี 5

1. จงอธิบายความความส าคัญของการประมวลผลเบื้องต้นในการประมวลผลภาพเชิงเลข 2. จงจ าแนกการประเมินคุณภาพของภาพและการประเมินผลทางสถิติ 3. จงอธิบายความส าคัญของการปรับแก้เชิงรังสี

115


4. จงจ าแนกสาเหตุของความคลาดเคลื่อนเชิงรังสีที่ก่อให้เกิดความคลาดเคลื่อนแต่ละประเภทและวิธีการปรับแก้

5. จงอธิบายความส าคัญของการปรับแก้เชิงเรขาคณิต 6. จงจ าแนกสาเหตุของความคลาดเคลื่อนเชิงเรขาคณิตอย่างเป็นระบบที่ก่อให้เกิดความ

คลาดเคลื่อนแต่ละประเภทและวิธีการปรับแก้ 7. จงจ าแนกสาเหตุของความคลาดเคลื่อนเชิงเรขาคณิตอย่างไม่เป็นระบบที่ก่อให้เกิดความ

คลาดเคลื่อนแต่ละประเภทและวิธีการปรับแก้ 8. จงอธิบายความแตกต่างของการปรับแก้ภาพแบบภาพสู่แผนที่และการปรับแก้แบบภาพสู่ภาพ

เอกสารอ้างอิง

ทรงกต ทศานนท์. (2550). การวิเคราะห์และแปลภาพเชิงตัวเลข (Digital Image Analysis and Interpretation). มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.

สุรภี อิงคากุล. (2548). การวิเคราะห์ข้อมูลระยะไกล Remote Sensing Analysis. ส านักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

สุวิทย์ อ๋องสมหวัง. (2554). หลักการของการรับรู้จากระยะไกลและการประมวลผลภาพเชิงเลข (Principles of Remote Sensing and Digital Image Processing). มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี.

Anantharaj Manoj. (2012). Digital Image Processing. [Online]. Available: http://digital- image-processing-svu.blogspot.com/ [2015, March. 13] CHRIS Toolbox for BEAM. (2008). Noise Reduction. [Online]. Available:

http://www.brockmann-consult.de/beam/chris-box/theory-details.html #Noise_Reduction [2015, March. 12]

Jensen, J. R. (2005). Introductory Digital Image Processing: A Remote Sensing Perspective. 3rd Edition. Practice Hall.

94...บทท 5 การประมวลผลภาพเช งเลขเบ องต น...

Documents