Способ и система численной оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков, получаемых для целей картографирования
METHOD AND SYSTEM FOR NUMERICAL EVALUATION OF THE VISUAL QUALITY OF AERIAL AND SPACE PHOTOGRAPHS OBTAINED FOR MAPPING PURPOSES

Изобретение относится к области аэро- и космической съёмке, получаемой для целей картографирования, работ по топографической съёмке местности и мониторинга.
Задача контроля качества материалов космической съёмки в том числе в части изобразительных свойств возникает при оценке работы целевой аппаратуры космических аппаратов (КА) ДЗЗ как часть валидационных испытаний при её приёмке в эксплуатацию. Задача оценки качества фотоснимков возникает при производстве картографических работ и работ по топографической съёмке местности на этапе технического контроля материалов аэро- и космической съёмки, в результате которого принимается решение о пригодности их для дальнейшей обработки и получения на её основе готовой продукции.
Качество аэрофотоснимков определяется их фотограмметрическими и изобразительными свойствами [2, 6]. Требования к качеству и способы его оценки частично закреплены в нормативной документации [2, 3, 4]. Национальным стандартом ГОСТ Р 59328-2021 регламентированы требования к фотограмметрическому и «фотографическому» качеству аэрофотоснимков.
Показателями фотограмметрического качества являются:
- взаимные и абсолютные углы наклона фотоснимков;
- точность выдерживания высоты фотографирования, определяющаяся отличием фактической высоты фотографирования от заданной;
- точность выдерживания продольного и поперечного перекрытия, определяющаяся отклонением продольного и поперечного перекрытий аэрофотоснимков от номинальных проектных значений;
- непараллельность базиса фотографирования стороне аэрофотоснимка («елочка»);
- непрямолинейность аэросъёмочных маршрутов, определяющаяся отклонением фактического положения маршрута от проектного положения.
Перечисленные показатели вычисляются путём анализа линейных и угловых элементов внешнего ориентирования фотоснимков, полученных по результатам измерений бортовой системы определения положения и ориентации.
Фотографическое качество регламентировано ГОСТ Р 59328-2021 по следующим показателям [5]:
- наличие (отсутствие) на фотоснимках изображений облаков, теней от них, бликов, ореолов и дымов, препятствующих выполнению фотограмметрической обработки и дешифрированию;
- выраженное различие изображений одной и той же территории, отобразившейся на соседних фотоснимках, по интегральной яркости, контрасту, цветовому тону;
- правильность цветопередачи, определяющаяся визуальным соблюдением баланса белого цвета без заметного преобладания того или иного цветового компонента;
- резкость фотографического изображения, оцениваемая наличием визуально заметной нерезкости («смаза») изображения, возникающего в следствие перемещения воздушного судна;
- пространственное разрешения, определенное по пограничной кривой на основе частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) фотоснимка;
- правильность экспонирования и первичной обработки, определяемая с помощью показателя контраста.
Из перечисленных показателей фотографического качества только для одного из них - показателя контраста - в ГОСТ Р 59328-2021 приведён способ его численной оценки и диапазон допустимых значений, на основании которых можно сделать вывод о характеристике качества. Притом в [7] показаны недостатки применения формулы:
D
D
G
max
min
где:  и  - максимальное и минимальное значение пикселя изображения, соответственно,  - максимально возможное число градаций цветового тона (256 для изображения разрядностью 8 бит/пиксель);
из данного национального стандарта и предложена более объективная и универсальная формула оценки контраста фотоснимка.
Ещё одним численным показателем фотографического качества, с определённым ГОСТ Р 59328-2021 допустимым значением является «линейный элемент разрешения», т.е. пространственное разрешение, величина которого не должна превышать 1,25 пикселя. Несмотря на то, что упомянутый способ оценки пространственной разрешающей способности на основе ЧКХ изображения, полученной по пограничной кривой достаточно широко описан в литературе [8, 9, 10, 11, 12] в данном национальном стандарте описание методики оценки отсутствует.
Остальные показатели можно отнести к разряду качественных, т.е. не выраженных в численном виде. Для оценки таких показателей предполагается использование органолептического, т.е. осуществляемого на основе анализа восприятий органов чувств метода [1], со всеми присущими ему недостатками. Однозначно определить таким методом возможно лишь наличие или отсутствие на фотоснимках изображений облаков и дымов, теней от них, бликов, ореолов и др. Оценка же остальных показателей - различия соседних фотоснимков по интегральной яркости, контрасту, цветовому тону, правильности цветопередачи и резкости изображения - является задачей весьма неоднозначной ввиду субъективности и влияния особенностей индивидуального восприятия исполнителей на получаемый результат.
В 1974 г. А.С. Кучко в своей книге «Аэрофотография (Основы и метрология)» писал: «Проблема отыскания наиболее эффективных критериев, позволяющих объективно и просто оценить… изобразительные свойства аэрофотоизображения с учётом назначения фотоснимков, ещё полностью не решена». Из анализа современных источников и нормативной документации следует, что решение этой задачи на сегодняшний день так и не найдено.
Единого подхода к оценке качества материалов космической съёмки на сегодняшний день не существует, хотя работы в данном направлении ведутся уже давно, о чём свидетельствует ряд отечественных [13, 14] и зарубежных публикаций [15, 16, 17]
В настоящее время в целях оценки качества материалов космической съёмки создана система валидационных подспутниковых наблюдений Госкорпорации Роскосмос, в состав которой входит сеть тестовых участков. Несмотря на проделанную колоссальную работу, проблема оценки качества и пригодности материалов космической съёмки для целей картографирования, работ по топографической съёмке местности, мониторинга не теряет актуальности. Оценка изобразительного качества космических фотоснимков, как правило, состоит в определении пространственной разрешающей способности [14, 18, 19, 20, 21, 22]. Такой подход не позволяет учесть все факторы, ухудшающие изобразительное качество космического фотоснимка, оставляя нерешённой проблему отсутствия единого подхода и регламентированных методик оценки качества космических фотоснимков.
Технический результат заявленного изобретения является повышение качества оценки изобразительных свойств аэро- и космических фотоснимков, получаемых для целей картографирования, работ по топографической съёмке местности и мониторинга.
По сравнению с существующей процедурой оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков с применением органолептического метода, основанного на экспертных заключениях, предложенный способ позволяет полностью автоматизировать данную оценку, повышая производительность работ, обеспечить однозначность и объективность результата за счёт применения численных показателей и единой методики их определения.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ численной оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков, полученных для целей картографирования, заключается в том, что подают (загружают) в систему для оценки изобразительного качества аэро- или космический фотоснимок, вычисляют с использованием специальных алгоритмов и программных средств значения следующих показателей изобразительного качества аэро- и космического фотоснимка: пространственная разрешающая способность (R), фотографическая резкость (s), локальный контраст (K), цветовой разбаланс (Δ), среднеквадратическое отклонение (СКО) случайного шума (NRMS), яркость дымки (haze), радиометрическое разрешение (Rbit), показатели потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), далее сравнивают каждое вычисленное по фотоснимку значение показателя с рекомендуемыми и допустимыми значениями отдельно, по результатам сравнения каждому показателю присваивают статус «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно», статус «хорошо» присваивают показателю, если его значение не превышает (или не менее, в зависимости от показателя) рекомендуемого значения, статус «удовлетворительно» присваивают показателю, если его значение превышает рекомендованную (или меньше его, в зависимости от показателя), но не превышает допустимого значения (или не меньше его, в зависимости от показателя), статус «неудовлетворительно» присваивают показателю, если его значение превышает (или меньше, в зависимости от показателя) рекомендуемое значение, далее присваивают аэро- или космическому фотоснимку статус «хорошо» или «удовлетворительно» или «неудовлетворительно» по присвоенным статусам следующих показателей: пространственная разрешающая способность (R), фотографическая резкость (s), цветовой разбаланс (Δ), СКО случайного шума (NRMS), яркость дымки (haze), радиометрическое разрешение (Rbit), показатели потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), статус качества «хорошо» присваивают аэро- или космического фотоснимка если более 50% показателей изобразительного качества аэро- или космического фотоснимка имеют статус «хорошо», статус «удовлетворительно» присваивают качеству аэро- или космического фотоснимка если более 50% показателей изобразительного качества аэро- или космического фотоснимка имеют статус «удовлетворительно», статус «неудовлетворительно» присваивают качеству аэро- или космического фотоснимка если хотя бы один из показателей аэро- или космического фотоснимка имеет статус «неудовлетворительно», не зависимо от статуса остальных показателей.
Вычисляют рекомендуемые и допустимые значения пространственной разрешающей способности, фотографической резкости, локального контраста, цветового разбаланса, СКО случайного шума, яркости дымки, радиометрического разрешения, показателей потери информации в области тени и засветки на макетных и эталонных изображениях, уточнены и протестированы на производственных материалах аэрофотосъёмки, полученных различными аэросъёмочными системами в картографических целях.
Вычисляют значение пространственной разрешающей способности (R) путем поиска и выделения пограничных переходов, характеризующихся максимальным градиентом, по каждому найденному пограничному переходу строится пограничная кривая, по которой определяется частотно-контрастная характеристика (ЧКХ), по ЧКХ определяется граничная частота - пространственная частота, соответствующая пороговому контрасту 0,1.
Вычисляют фотографическую резкость (s) путём определения средней длины по всем пограничным переходам.
Определяют цветовой разбаланс (Δ) путём поиска пикселей фотоснимка, относящихся к изображению ахроматического (серого) объекта, по данным пикселям вычисляют отклонения от серого цветовых компонент (красной, зелёной и синей) пикселей, далее определяют общее значение цветового разбаланса для всего фотоснимка.
По определённым в результате оценки цветового разбаланса (Δ) значениям отклонений цветовых компонент пикселей от значения серого вводят поправки в значения цветовых компонент и выполняют коррекции цветового баланса.
Определяют СКО случайного шума (NRMS) путём квантования результатов двумерного преобразования Фурье фотоснимка и построения гистограммы, определяют средневзвешенное значение моды распределения гистограммы, по которому вычисляют СКО случайного шума (NRMS).
Определяют яркость дымки (haze) путём построения гистограммы фотоснимка и определения систематического сдвига гистограммы вправо в сторону больших значений пикселей.
Определяют радиометрическое разрешение (Rbit) путём определения ненулевых значений гистограммы фотоснимка с учётом яркости дымки (haze), определённой по п. 8, и СКО случайного шума (NRMS).
Определяют потерю информации в области тени (lackshd) путём вычисления количества пикселей с минимальным для его фактического радиометрического разрешения (Rbit), значением по отношению к общему числу пикселей изображения.
Определяют потерю информации в области засветки (lackill) путём вычисления количества пикселей с максимально возможным значением, которое позволяет номинальное радиометрическое разрешение (Rbit), по отношению к общему числу пикселей изображения.
Сравнивают значение показателя пространственная разрешающая способность (R) с рекомендуемым  значением показателя пространственная разрешающая способность (Rrec), если значение показателя пространственная разрешающая способность (R) меньше или равно рекомендованному значению показателя пространственная разрешающая способность (Rrec) присваивают показателю пространственная разрешающая способность (R) статус «хорошо», если значение показателя пространственная разрешающая способность (R) больше рекомендованного значения показателя пространственная разрешающая способность (Rrec) далее значение показателя пространственная разрешающая способность (R) сравнивают с максимально допустимым значением показателя пространственная разрешающая способность (Rmax), если значение показателя пространственной разрешающей способности (R) меньше или равно максимально допустимому значению показателя пространственная разрешающая способность (Rmax) присваивают показателю пространственная разрешающая способность (R) статус «удовлетворительно», если значение показателя пространственная разрешающая способность (R) больше максимального допустимого значения показателя пространственная разрешающая способность (Rmax) далее сравнивают значение показателя локальный контраст (К) с рекомендованным значением показателя локальный контраст (Krec), если значение показателя локальная контрасть (К) меньше или равно рекомендованному значению показателя локальный контраст (Krec) присваивают показателю пространственная разрешающая способность (R) статус «удовлетворительно», если значение показателя локальный контраст (К) больше рекомендованного значения показателя локальный контраст (Krec) присваивают показателю пространственная разрешающая способность (R) статус «неудовлетворительно».
Сравнивают значение показателя фотографическая резкость (s) с рекомендованным значением показателя фотографическая резкость (srec), если значение показателя фотографическая резкость (s) больше или равно рекомендованному значению показателя фотографическая резкость (srec) присваивают показателю фотографическая резкость (s) статус «хорошо», если значение показателя фотографичесая резкость (s) меньше рекомендованного значения показателя фотографическая резкость (srec) далее сравнивают значение показателя фотографическая резкость (s) с минимально допустимым значением показателя фотографическая резкость (smin), если значение показателя фотографическая резкость (s) больше или равно минимально допустимому значению показателя фотографическая резкость (smin) присваивают показателю фотографическая резкость (s) статус «удовлетворительно», если значение показателя фотографическая резкость (s) меньше минимаьлно допустимого значения показателя фотографическая резкость (smin) далее сравнивают значение показателя локальный контраст (К) с рекомендованным значением показателя локальный контраст (Krec), если значение показателя локальный контраст (К) меньше или равно рекомендованному значению показателя локальный контраст (Krec) присваивают показателю фотографическая резкость (s) статус «удовлетворительно», если значение показателя локальный контраст (К) больше рекомендованного значения показателя локальный контраст (Krec) присваивают показателю фотографическая резкость (s) статус «неудовлетворительно».
Сравнивают значение показателя СКО случайного шума (NRMS) с со значением 1, если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) меньше 1 присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «не определен», далее если хотя бы одному из показателей: пространственная разрешающая способность (R) или фотографическая резкость (s) присвоен статус «неудовлетворительно» присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «неудовлетворительно», если показателям пространственная разрешающая способность (R) и фотографическая резкость (s) присвоен статус «удовлетворительно» присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «удовлетворительно», если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) больше 1 значение показателя СКО случайного шума (NRMS) сравнивают с рекомендованным значением показателя СКО случайного шума (NRMS rec), если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) меньше или равно рекомендованному значению показателя СКО случайного шума (NRMS rec) присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «хорошо», если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) больше рекомендованного значения показателя СКО случайного шума (NRMS rec) сравнивают значение показателя СКО случайного шума (NRMS) с максимально допустимым значением показателя СКО случайного шума (NRMS max), если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) меньше или равно максимально допустимому значению показателя СКО случайного шума (NRMS max) присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «удовлетворительно», если значение показателя СКО случайного шума (NRMS) больше рекомендованного значения показателя СКО случайного шума (NRMS max) присваивают показателю СКО случайного шума (NRMS) статус «неудовлетворительно».
Сравнивают значение показателя цветовой разбаланс (Δ) с рекомендуемым значением показателя цветовой разбаланс (Δrec), если значение показателя цветовой разбаланс (Δ) меньше или равно рекомендованному значению показателя цветовой разбаланс (Δrec) присваивают показателю цветовой разбаланс (Δ) статус «хорошо», если значение показателя цветовой разбаланс (Δ) больше рекомендованного значения показателя цветовой разбаланс цвета (Δrec) сравнивают значение показателя цветовой разбаланс (Δ) с максимально допустимым значением показателя цветовой разбаланс (Δmax), если значение показателя цветовой разбаланс (Δ) меньше или равно максимально допустимому значению показателя цветовой разбаланс (Δmax) присваивают показателю цветовой разбаланс (Δ) статус «удовлетворительно», если значение показателя цветовой разбаланс (Δ) больше максимально допустимого значения показателя цветовой разбаланс (Δmax) выполняют коррекцию баланса цвета фотоснимка.
Сравнивают значение показателя яркость дымки (haze) с рекомендуемым значением показателя яркость дымки (hazerec), если значение показателя яркость дымки (haze) меньше или равно рекомендуемому значению показателя яркость дымки (hazerec) присваивают показателю яркость дымки (haze) статус «хорошо», если значение показателя яркость дымки (haze) больше рекомендуемого значения показателя яркость дымки (hazerec) далее сравнивают значение показателя яркость дымки (haze) с максимально допустимым значением показателя яркость дымки (hazemax), если значение показателя яркость дымки (haze) меньше или равно максимально допустимому значению показателя яркость дымки (hazemax) присваивают показателю яркость дымки (haze) статус «удовлетворительно», если значение показателя яркость дымки (haze) больше максимально допустимого значения показателя яркость дымки (hazemax) присваивают показателю яркость дымки (haze) статус «неудовлетворительно».
Для присвоения статуса показателя радиометрическое разрешение (Rbit) оценивают показатель яркость дымки (haze) и показатель СКО случайного шума (NRMS), если одновременно показатель яркость дымки (haze) и показатель СКО случайного шума (NRMS) имеют статус «неудовлетворительно» присваивают показателю радиометрическое разрешение (Rbit) статус «неудовлетворительно», если одновременно показатель яркость дымки (haze) и показатель СКО случайного шума (NRMS) не имеют статус «неудовлетворительно» сравнивают значение показателя радиометрическое разрешение (Rbit) с рекомендуемым значением показателя радиометрическое разрешение (Rbit rec), если значение показателя радиометрическое разрешение (Rbit) больше или равно рекомендуемому значению показателя радиометрическое разрешение (Rbit rec) присваивают показателю радиометрическое разрешение (Rbit) статус «хорошо», если значение показателя радиометрическое разрешение (Rbit) меньше рекомендуемого значения показателя радиометрическое разрешение (Rbit rec) сравнивают с минимально допустимым значением показателя радиометрическое разрешение (Rbit min), если значение показателя радиометрическое разрешение (Rbit) больше или равно минимально допустимому значению показателя радиометрическое разрешение (Rbit min) присваивают показателю радиометрическое разрешение (Rbit) статус «удовлетворительно», если значение показателя радиометрическое разрешение (Rbit) меньше минимально допустимого значения показателя радиометрическое разрешение (Rbit min) присваивают показателю радиометрическое разрешение (Rbit) статус «неудовлетворительно».
Значение показателя потери информации в области тени (lackshd) сравнивают с рекомендуемым значением показателя потери информации в области тени (lackshd rec), если значение показателя потери информации в области тени (lackshd) меньше или равно рекомендуемому значению показателя потери информации в области тени (lackshd rec) присваивают показателю потери информации в области тени (lackshd) статус «хорошо», если значение показателя потери информации в области тени (lackshd) больше рекомендуемого значения показателя потери информации в области тени (lackshd rec) сравнивают значение показателя потери информации в области тени (lackshd) с максимально допустимым значением показателя потери информации в области тени (lackshd max), если значение показателя потери информации в области тени (lackshd) меньше или равно максимально допустимому значению показателя потери информации в области тени (lackshd max) присваивают показателю потери информации в области тени (lackshd) статус «удовлетворительно», если значение показателя потери информации в области тени (lackshd) больше максимально допустимого значения показателя потери информации в области тени (lackshd max) присваивают показателю потери информации в области тени (lackshd) статус «неудовлетворительно».
Значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) сравнивают с рекомендуемым значением показателя потеря информации в области засветки (lackill rec), если значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) меньше или равно рекомендуемому значению показателя потеря информации в области засветки (lackill rec) присваивают показателю потеря информации в области засветки (lackill) статус «хорошо», если значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) больше рекомендуемого значения показателя потеря информации в области засветки (lackill rec) сравнивают значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) с максимально допустимым значением показателя потеря информации в области засветки (lackill max), если значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) меньше или равно максимально допустимому значению показателя потеря информации в области засветки (lackill max) присваивают показателю потеря информации в области засветки (lackill) статус «удовлетворительно», если значение показателя потеря информации в области засветки (lackill) больше максимально допустимого значения показателя потеря информации в области засветки (lackill max) присваивают показателю потеря информации в области засветки (lackill) статус «неудовлетворительно».
Система численной оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков в которой блок хранения данных соединен с блоком вычисления пространственной разрешающей способности R, блоком вычисления фотографической резкости s, блоком вычисления локального контраста K, блоком вычисления цветового разбаланса (Δ), блоком вычисления СКО случайного шума (NRMS), блоком вычисления яркости дымки (haze), блоком вычисления радиометрического разрешения (Rbit), блоком вычисления показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), так же блок хранения данных соединен с блоком сравнения пространственной разрешающей способности R, блоком сравнения фотографической резкости s, блоком сравнения локального контраста K, блоком сравнения цветового разбаланса (Δ), блоком сравнения СКО случайного шума (NRMS), блоком сравнения яркости дымки (haze), блоком сравнения радиометрического разрешения (Rbit), блоком сравнения показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), блок вычисления пространственной разрешающей способности R соединен с блоком сравнения пространственной разрешающей способности R, так же блок вычисления пространственной разрешающей способности R соединен с блоком вычисления фотографической резкости s, блок вычисления фотографической резкости s соединен с блоком сравнения фотографической резкости s, блоком вычисления локального контраста K соединен с блоком сравнения локального контраста K, блок вычисления цветового разбаланса (Δ) соединен с блоком сравнения цветового разбаланса (Δ), блок вычисления СКО случайного шума (NRMS) соединен с блоком сравнения СКО случайного шума (NRMS), блок вычисления яркости дымки (haze) соединен с блоком сравнения яркости дымки (haze), блок вычисления радиометрического разрешения (Rbit) соединен с блоком сравнения радиометрического разрешения (Rbit), блок вычисления показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill) с блоком сравнения показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), блок вычисления СКО случайного шума (NRMS) и блок вычисления яркости дымки (haze) соединены с блоком вычисления радиометрического разрешения (Rbit), который дополнительно соединен с блоком вычисления показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill), блок сравнения пространственной разрешающей способности R и блок сравнения фотографической резкости s соединены с блоком сравнения СКО случайного шума (NRMS), блок сравнения локального контраста K соединен с блоком сравнения пространственной разрешающей способности R и блоком сравнения фотографической резкости s, блок сравнения СКО случайного шума (NRMS) и блок сравнения яркости дымки (haze) соединены с блоком сравнения радиометрического разрешения (Rbit), блок сравнения пространственной разрешающей способности (R), блок сравнения фотографической резкости (s), блок сравнения цветового разбаланса (Δ), блок сравнения СКО случайного шума (NRMS), блок сравнения яркости дымки (haze), блок сравнения радиометрического разрешения (Rbit) и блок сравнения показателей потери информации в области тени и засветки (lackshd, lackill) соединены с блоком статуса качества фотоснимка.
Сущность заявленного изобретения в дальнейшем поясняется детальным описанием, примерами и иллюстрациями, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 - Блок-схема этапа 1 - расчёт показателей изобразительного качества;
на фиг. 2 - Блок-схема этапа 2 - сравнение значений показателей изобразительного качества фотоснимка с соответствующими рекомендуемыми и допустимыми значениями;
на фиг. 3 - Блок-схема этапа 3 - вывод о качестве фотоснимка;
на фиг. 4 - Условия выбора пограничного перехода на изображении;
R;
на фиг. 5 - Блок-схема оценки качества по параметру «пространственная разрешающая способность»
на фиг. 6 - Блок-схема оценки качества по параметру «фотографической резкости» s;
N
RMS
;
на фиг. 7 - Блок-схема оценки качества по параметру «СКО случайного шума»
на фиг. 8 - Сравнение цветовых компонент пикселей ахроматических объектов;
;
на фиг. 9 - Блок-схема оценки качества по параметру «цветовой разбаланс» Δ
на фиг. 10 - Фрагмент космического фотоснимка с дымкой и его гистограмма с обозначенными нулевыми значениями;
на фиг. 11 - Аэрофотоснимок с дымкой и его гистограмма с обозначенными нулевыми значениями;
haze;
на фиг. 12 - Блок-схема оценки качества по параметру «яркость дымки»
на фиг. 13 - Пример отображения фактического и полезного радиометрического разрешения на гистограмме космического фотоснимка;
R
bit
на фиг. 14 - Блок-схема оценки качества по параметру «радиометрическое разрешение» ;
на фиг. 15 - Фрагмент космического фотоснимка с потерей информации в области засветки и характерный выброс гистограммы при максимальном значении пикселя;
на фиг. 16 - Аэрофотоснимок с потерей информации в области тени и засветки, и характерные выбросы гистограммы при максимальном значении пикселя и минимальном для данного изображения;
на фиг. 17 - Фрагмент космического фотоснимка с потерей информации в области тени и засветки, и его гистограмма в условиях нехватки диапазона радиометрического разрешения;
lack
shd
на фиг. 18 - Блок-схема оценки качества по параметру «потеря информации в области тени» ;
lack
ill
на фиг. 19 - Блок-схема оценки качества по параметру «потеря информации в области засветки» ;
на фиг. 20 - Блок-схема системы численной оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков, получаемых для целей картографирования, где:
1 - блок хранения данных;
2 - блок вычисления пространственной разрешающей способности R;
3 - блок вычисления фотографической резкости s;
4 - блок вычисления локального контраста K;
5 - блок вычисления цветового разбаланса (Δ);
RMS
6 - блок вычисления СКО случайного шума (N);
7 - блок вычисления яркости дымки (haze);
bit
8 - блок вычисления радиометрического разрешения (R);
ill
shd
9 - блок вычисления показателей потери информации в области тени и засветки (lack, lack);
10 - блок сравнения пространственной разрешающей способности R;
11 - блок сравнения фотографической резкости s;
12 - блок сравнения локального контраста K;
13 - блок сравнения цветового разбаланса (Δ);
RMS
14 - блок сравнения СКО случайного шума (N);
15 - блок сравнения яркости дымки (haze);
bit
16 - блок сравнения радиометрического разрешения (R);
ill
shd
17 - блок сравнения показателей потери информации в области тени и засветки (lack, lack);
18 - блок статуса качества фотоснимка;
на фиг. 21 - Аэрофотоснимок, полученный камерой Phase One iXU-RS1900;
на фиг. 22 - Аэрофотоснимок, полученный камерой Sony DSC-RX1RM2.
Общие принципы оценки изобразительного качества материалов аэро- и космической съемки.
Определение значений показателей изобразительного качества выполняется по единой методической основе с целью определения соответствия качества материалов аэро- и космической съёмки требованиям, обеспечивающим возможность выполнения картографических работ и работ по топографической съёмке местности на их основе.
Оценка изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков выполняется в части структурометрических и изобразительных свойств.
К структурометрическим показателям изобразительного качества относятся:
- пространственная разрешающая способность;
- фотографическая резкость.
К градационным (фотографическим) показателям изобразительного качества относятся:
- цветовой баланс;
- уровень случайного шума;
- яркость дымки;
- потеря информации в области тени и засветки;
- радиометрическое разрешение.
Основными этапами способа оценки изобразительного качества являются:
- этап 1 - расчёт показателей изобразительного качества;
- этап 2 - сравнение полученных значений с соответствующими рекомендуемыми и допустимыми значениями;
- этап 3 - вывод о качестве фотоснимка: хорошее, удовлетворительное, неудовлетворительное.
Этап 1
- расчёт показателей изобразительного качества
На вход системы подаётся изображение (фотоснимок), по которому с использованием специализированных алгоритмов и программных средств вычисляются (см. фиг. 1):
R
- пространственная разрешающая способность ;
s
- фотографическая резкость ;
K
- локальный контраст ;
- цветовой разбаланс (Δ);
N
RMS
- среднеквадратическое отклонение (СКО) случайного шума ();
haze
- яркость дымки ();
R
bit
- радиометрическое разрешение ();
lack
lack
shd
ill
- показатели полноты информации - потеря информации в области тени и засветки (,).
Этап 2
- сравнение значений показателей изобразительного качества фотоснимка с соответствующими рекомендуемыми и допустимыми значениями (см. фиг. 2).
Сравнение вычисленных по фотоснимку значений с рекомендуемыми и допустимыми значениями производится по каждому показателю отдельно. По результатам сравнения каждому показателю присваивается статус «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно». Статус «хорошо» присваивается показателю, если его значение не превышает (или не менее, в зависимости от показателя) рекомендуемой величины. Статус «удовлетворительно» присваивается показателю, если его значение превышает рекомендованную (или меньше её, в зависимости от показателя), но не превышает допустимую величину (или не меньше её, в зависимости от показателя). Статус «неудовлетворительно» присваивается показателю, если его значение превышает (или меньше, в зависимости от показателя) рекомендуемой величины.
Этап 3
- вывод о качестве фотоснимка (см. фиг. 3).
По результатам сравнения показателей изобразительного качества фотоснимка с их рекомендуемыми и допустимыми значениями статусу качества всего фотоснимка присваивается значение «хорошее», «удовлетворительное», «неудовлетворительное». Качество фотоснимка можно считать хорошим, если более 50% показателей имеют статус «хорошо». Качество фотоснимка считается удовлетворительным, если более 50% показателей имеют статус «удовлетворительно». Качество фотоснимка признаётся неудовлетворительным, если хотя бы один из показателей имеет статус «неудовлетворительно», не зависимо от статуса остальных показателей.
Далее приведена система показателей изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков, получаемых для целей картографирования, работ по топографической съёмке местности и мониторинга, с описанием методики их определения.
Оценка пространственной разрешающей способности.
Пространственная разрешающая способность оценивается на основе анализа частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) изображения. Определение ЧКХ выполняется по пограничной кривой, построенной по пограничному переходу.
Основными этапами метода являются:
а. поиск и выделение пограничных переходов, характеризующихся максимальным градиентом. Критерием выбора пограничного перехода для построения пограничной кривой является перпендикулярность пограничного перехода к линии резкого края. Условиями выбора пограничных переходов на цифровом фотоснимке являются:
1) максимальное изменение значений пикселей на кратчайшем интервале в направлении строки или столбца изображения;
2) минимальное изменение значений пикселей в направлении, перпендикулярном пограничному переходу.
Для выбора пограничных переходов на изображении выполняется поиск фрагментов строк или столбцов, имеющих максимальный градиент (см. фиг. 4).
Градиент пикселей цифрового изображения - это вектор, показывающий направление максимального изменения значения пикселей (фототона).
Для каждого пикселя определяются два параметра градиента: величина (2) и направление (3):
где α - угол, характеризующий направление вектора градиента относительно оси X (Ось X системы координат цифрового изображения параллельна строкам изображения, ось Y параллельна столбцам, положение начала системы координат в данном случае может быть выбрано произвольно) (вдоль строк изображения).
Величина и наклон вектора градиента рассчитываются для каждого пикселя изображения по изменению значений соседних с ним пикселей:
D
i
j
i
,
j
где  - значение пикселя изображения, расположенного на пересечении -й строки и -го столбца.
Выбор пограничных переходов с максимальным градиентом осуществляется под условием:
grad
= max
tgα
= max
i
,
j
i
,
j
- вдоль столбцов:  и ;
grad
= max
tgα
= min.
i
,
j
i
,
j
- вдоль строк:  и
grad
tgα
tgα
i,j
i,j
i,j
Число максимальных значений градиента, тангенса и минимальных значений тангенса должно составлять не менее 1% от числа пикселей анализируемого изображения.
При обнаружении пикселей, удовлетворяющих данному условию, на изображении выделяется участок, соответственно, строки или столбца, содержащий пограничный переход. Пограничный переход должен содержать изменение значений пикселей от самого светлого участка до самого тёмного, притом разность значений соседних пикселей не должна менять своего знака на всём его протяжении.
Число пограничных переходов, полученных по изображению, должно быть статистически представительным (от 30 и выше), и они должны быть получены с разных участков поля фотоснимка.
б. Порядок определения ЧКХ по пограничной кривой
Распределение значений пикселей в пограничном переходе представляет собой пограничную кривую.
Между каждыми смежными пикселями вычисляется разность их значений - производная пограничной кривой.
m
m
Полученные значения разностей дополняется справа нулями, до получения одномерного массива (строки), длиною не менее 2 значений (значение показателя степени  задаётся исполнителем и выбирается равным не менее 12) - это необходимое условие для выполнения преобразование Фурье.
Выполнение быстрого преобразования Фурье (БПФ) над полученным массивом, в результате которого вычисляется зависимость амплитуды от частоты периодов изменения фототона изображения.
K(N)
Нормирование полученных в результате БПФ значений по величине максимальной амплитуды (для 8-битного изображения она составляет 255), в результате которого получаются значения контраста для каждого числа периодов изменения фототона изображения. Полученная функция  представляет собой ЧКХ изображения.
в. Определение пространственной разрешающей способности фотоснимка
N
max
По ЧКХ изображения определяется граничная частота  (пространственная частота, соответствующая пороговому контрасту 0,1).
N
max
По значению граничной частоты определяется пространственная разрешающая способность в пикселях:
m
где  - значение показателя степени, выбранное на этапе б.
При учёте размеров проекции пикселя изображения на местность получается значение пространственной разрешающей способности в метрах:
H
f
pxl
где  - высота фотографирования,  - фокусное расстояние камеры,  - физический размер пикселя светочувствительной матрицы.
Пространственная разрешающая способность фотоснимка определяется средним значением, полученным по всем выбранным пограничным переходам.
Значение пространственной разрешающей способности R вычисляется по каждому пограничному переходу. Число пограничных переходов задаётся пользователем при условии того, что оно должно составлять представительную выборку - от 30 и более пограничных переходов. Для определения пространственной разрешающей способности фотоснимка вычисляется среднее арифметическое значение из всех R выборки.
Рекомендуемое значение пространственной разрешающей способности R фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно превышать 1,2 пикселя, максимально допустимое 1,3 пикселя.
Вычисление локального контраста
Локальный контраст аэрофотоснимка вычисляется по формуле:
DN
DN
G
max
min
где:  и  - максимальное и минимальное значение пикселя в пограничном переходе, соответственно,  - максимально возможное число градаций цветового тона (256 для изображения разрядностью 8 бит/пиксель);
лок
лок
Значение локального контраста К вычисляется для каждого пограничного перехода выборки (см. выше). Значение локального контраста фотоснимка определяется как среднее арифметическое значение из всех К выборки.
R
Оценка качества по параметру «пространственная разрешающая способность» (см. фиг. 5).
R
R
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «пространственная разрешающая способность»  сравнивается с рекомендуемым значением :
R ≤ R
rec
- если  параметру R присваивается статус «хорошо»,
R > R
R
R
rec
max
- если  параметр  сравнивается с максимально допустимым значением :
R ≤ R
R
max
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
R > R
K
K
K
max
rec
- если  анализируется локальный контраст фотоснимка , значение  сравнивается с рекомендуемым значением :
K ≤ K
R
rec
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно» (снижение пространственной разрешающей способности обусловлено особенностями подстилающей поверхности - малоконтрастная, о чём делается соответствующая отметка),
K > K
R
rec
- если  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно», снижение пространственной разрешающей способности фотоснимка контрастной подстилающей поверхности является дефектом изображения.
Оценка фотографической резкости
Оценка фотографической резкости выполняется одновременно с оценкой пространственной разрешающей способности по одним и тем же пограничным переходам.
Показатель фотографической резкости оценивается по формуле:
l
где  - длина пограничного перехода, число пикселей.
Показатель фотографической резкости является нормированной величиной, значение которой изменяется в пределах от 0 до 1.
Фотографическая резкость фотоснимка определяется средним значением, полученным по всем выбранным пограничным переходам.
Рекомендуемое значение фотографической резкости фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, должно быть не менее 0,5, минимально допустимое - 0,35.
s
Оценка качества по параметру «фотографическая резкость» (см. фиг. 6).
s
s
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «фотографическая резкость»  сравнивается с рекомендуемым значением :
s ≥ s
s
rec
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
s < s
s
s
rec
min
- если  параметр  сравнивается с допустимым минимальным значением :
s≥  s
s
min
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
s < s
K
K
K
max
rec
- если  анализируется локальный контраст фотоснимка , значение  сравнивается с рекомендуемым значением :
K ≤ K
s
rec
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно» (снижение фотографической резкости обусловлено особенностями подстилающей поверхности - малоконтрастная),
K > K
s
rec
- если  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно», снижение фотографической резкости фотоснимка контрастной подстилающей поверхности является дефектом изображения.
Оценка градационных (фотографических) показателей изобразительного качества
Вычисление СКО случайного шума
Численной характеристикой случайного шума изображения является его СКО. СКО случайного шума, присутствующего на фотоснимке, определяется по методу гармонического анализа. Данный метод основан на анализе спектрального распределения плотности мощности сигнала, описывающего изображение, вычисляемого с помощью двумерного преобразования Фурье.
СКО случайного шума изображения должно вычисляться по следующей методике:
I
Вычисление двумерного БПФ фотоснимка, результатом которого являются комплексные числа .
Вычисление абсолютных значений (модулей), полученных в результате двумерного БПФ чисел:
Ir
Ii
i
где  - вещественная часть комплексного числа,  - мнимая часть комплексного числа,  - номер отсчёта результата БПФ.
Iabs
Iabs
0
Примечание:  - нулевой отсчёт является коэффициентом постоянной составляющей, его необходимо удалить из массива.
Определение рабочего числа отсчётов:
m, n
Lx, Ly
где  - рабочее число отсчётов двумерного БПФ по горизонтали и вертикали соответственно;  - размер фотоснимка в пикселях по горизонтали и вертикали соответственно.
Вычисление шага квантования результатов БПФ:
p
p = 0,02
где  - задаваемый параметр, определяющий точность расчета СКО случайного шума, чем меньше этот параметр, тем выше точность вычислений, однако уменьшение данного параметра приводит к увеличению необходимого для расчётов объема памяти; рекомендуемое значение параметра .
Квантование результатов БПФ для построения гистограммы:
Iq
i
значения квантованных результатов БПФ  округляются до целого.
Вычисление рабочего диапазона квантованных значений результатов БПФ для построения гистограммы:
max(Iq)
min(Iq)
Iq
где  и  - максимальное и минимальное значение квантованных результатов БПФ  соответственно;
HIST
Iq
d
p
Построение гистограммы  квантованных значений результатов БПФна интервале  с шагом квантования .
Определение максимума гистограммы
0,7M
Вычисление моды распределения, как средневзвешенного значения от уровня :
HIST
HIST
≥ 0,7M
K
0,7M
k
k
где - значения гистограммы, удовлетворяющие условию,  - число значений гистограммы, превышающее или равное .
Вычисление СКО случайного шума:
1,07
где - поправочный коэффициент.
Рекомендуемое значение СКО случайного шума фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно превышать 1,2% от номинального радиометрического разрешения, максимально допустимое - 2,7%. Для изображений с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель абсолютные СКО случайного шума составляют 3 и 7 соответственно.
N
RMS
Оценка качества по параметру «СКО случайного шума» (см. фиг. 7).
N
1
RMS
Вычисленный по фотоснимку показатель «СКО случайного шума»  сравнивается со значением :
N
< 1
N
RMS
RMS
- если  параметру  присваивается статус «не определён», в данном случае на фотоснимке возможно существенное размытие (смаз), выполняется анализ параметров R и s:
N
RMS
- если хотя бы один из параметров R и s имеет статус «неудовлетворительно»,  присваивается статус «неудовлетворительно», на фотоснимке присутствует существенный смаз;
N
RMS
- если оба параметра R и s имеют статус «удовлетворительно»,  присваивается статус «удовлетворительно»,
N
> 1
N
N
RMS
RMS
RMSrec
- если  параметр  сравнивается с рекомендуемым значением :
N
≤
N
N
RMS
RMSrec
RMS
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
N
>
N
N
N
RMS
RMSrec
RMS
RMS
max
- если  параметр  сравнивается с максимально допустимым значением :
N
≤
N
N
RMS
RMS
max
RMS
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
N
N
N
RMS
RMS
max
RMS
- если  >  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно», высокий уровень случайного шума является дефектом изображения.
Оценка цветового баланса.
Цветопередача цветного изображения считается правильной, если отсутствуют искажения цвета фотографического изображения по сравнению с цветами оригинала.
Численной характеристикой правильности цветопередачи является нарушение цветового баланса - цветовой разбаланс. Величину цветового разбаланса можно оценить в ручном и автоматическом режиме.
Оценка цветового разбаланса в ручном режиме (см. фиг. 8).
В ручном режиме оценка цветового разбаланса выполняется путём сравнения цветовых компонент пикселей ахроматических объектов (асфальтовое покрытие, серые крыши и пр.) в любом графическом редакторе или ином программном средстве, имеющем соответствующий функционал.
Цифровые аэро- и комические фотоснимки, имеют аддитивную цветовую модель. Расчёт величины цветового разбаланса производится по следующей методике:
g
Определение среднего значения красной, зелёной и синей компоненты пикселя ахроматического объекта - «условного серого» :
R
G
B
где ,и - значения красной, зелёной и синей компоненты пикселя ахроматического объекта соответственно.
Определение отклонения каждой цветовой компоненты от условного серого
Вычисление значения цветового разбаланса:
Число пикселей изображения ахроматических объектов, выбранных для оценки цветового разбаланса, должно быть статистически представительным (от 30 и выше), и они должны быть по возможности получены с разных участков поля фотоснимка. Общее значение цветового разбаланса определяется средним значением из выборки полученных значений Δ.
Оценка цветового разбаланса в автоматическом режиме
Оценка цветового разбаланса фотоснимка в автоматическом режиме производится по следующему алгоритму:
Автоматический поиск пикселей, принадлежащих изображению ахроматического объекта
Автоматический поиск пикселей, принадлежащих изображению ахроматического объекта, состоит из следующих этапов:
g
- определение среднего значения красной, зелёной и синей компоненты - «условного серого»  по формуле (19) для каждого пикселя изображения;
g
g
- присвоение каждому пикселю изображения номера разряда в зависимости от значения «условного серого»  (т.е. номер разряда пикселя определяется целочисленным значением ); для изображения с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель номера разрядов пикселей лежат в диапазоне от 0 до 255;
- вычисление суммарного отклонения от серого цветовых компонент для каждого пикселя изображения:
R
G
B
abs
где ,и - значения красной, зелёной и синей компоненты пикселя соответственно,  - обозначение абсолютного значения;
- определение максимального суммарного отклонения от серого цветовых компонентΔ пикселей, принадлежащих ахроматическим объектам:
для каждого разряда пикселей задаётся процент минимальных значений Δ, рекомендуется брать 10% минимальных значений Δ в каждом разряде;
,
max
max
в каждом разряде пикселей определяется наибольшее значение из всехΔвходящих в выбранный процент (например, 10%) минимальных значенийΔ, оно является критерием для определения принадлежности пикселя ахроматическому объекту в данном разряде (т.е. для изображения с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель определяется 256 значений Δ);
пиксель соответствующего разряда считается принадлежащим к изображению ахроматического объекта, если для него выполняется условие:
max
где Δ - значение суммарного отклонения от серого цветовых компонент пикселя,Δ - максимальное суммарное отклонение от серого цветовых компонент для соответствующего разряда, которому принадлежит данный пиксель;
g
определение среднего отклонения от значения условного серого  каждой из цветовых компонент пикселей каждого разряда, принадлежащих изображению ахроматического объекта:
g
для пикселей каждого разряда, принадлежащих изображению ахроматического объекта, определяется среднее отклонение от значения «условного серого»  каждой из цветовых компонент:
R
G
B
g
g
R
G
B
i
g
n
g
g
g
g
gi
gi
gi
g
где Δ,ΔиΔ - среднее отклонение от значения «условного серого»  каждой красной, зелёной и синей цветовых компонент соответственно для разряда;,и  - значение красной, зелёной и синей компоненты соответственно -го пикселя, принадлежащего к изображению ахроматического объекта разряда ; - число пикселей разряда , принадлежащих к изображениям ахроматических объектов;
g:
определение среднего отклонения цветовых компонент пикселей изображения ахроматического объекта от «условного серого»
g
среднее отклонение цветовых компонент пикселей изображения ахроматического объекта от «условного серого»  определяется средним значением по всем разрядам:
N+1
где  - число разрядов пикселей, 256 для изображения с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель;
вычисление общего цветового разбаланса:
значение общего цветового разбаланса по всем каналам определяется как:
Рекомендуемое значение общего цветового разбаланса фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, должно составлять не менее 1,2% от номинального радиометрического разрешения, максимально допустимое - 4%. Для изображений с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель абсолютные значения общего цветового разбаланса составляют 3 и 10 (число градаций тона) соответственно.
Цветовой разбаланс является корректируемым нарушением изобразительного качества, которое может быть исправлено без влияния на геометрическое качество фотоснимка (искажение, смещение отображённых на фотоснимке объектов). При значении цветового разбаланса фотоснимка более 4% от номинального радиометрического разрешения выполняется обработка по восстановлению цветового баланса по любому из существующих алгоритмов.
Оценка качества по параметру «цветовой разбаланс»
Δ
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «цветовой разбаланс» Δ сравнивается рекомендуемым значением Δ(фиг. 9):
≤
rec
- если ΔΔ параметру Δ присваивается статус «хорошо»,
>
rec
max
- если ΔΔ параметр Δ сравнивается с максимально допустимым значением Δ:
≤
max
- если ΔΔ параметру Δ присваивается статус «удовлетворительно»,
>
max
- если ΔΔ выполняется коррекция баланса цвета фотоснимка.
Оценка яркости дымки
Атмосферная дымка на фотоснимке проявляется в виде общего светлого фона, присутствующего по всему полю изображения и снижения контраста. Общий светлый фон может также появляться на изображении как следствие некорректного подбора радиометрического профиля в процессе постобработки аэро- и космических фотоснимков.
Численно влияние дымки ни изображение оценивается систематическим сдвигом гистограммы в сторону больших значений пикселей и присутствием подряд идущих нулевых значений гистограммы в области пикселей малой яркости (0, 1, 2, 3… и т.д. в зависимости от яркости дымки) (см. фиг. 10 и 11).
Выявление дымки по гистограмме может производиться как визуально, так и автоматически путём реализации простейших алгоритмов в любых программных средах, позволяющих строить гистограмму изображения и выполнять с ней математические действия.
Рекомендуемое значение яркости дымки на фотоснимках, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно превышать 6% от номинального радиометрического разрешения, максимально допустимое - 16%. Для изображений с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель абсолютные значения яркости дымки составляют 15 и 40 соответственно.
Оценка качества по параметру «яркость дымки»
haze
haze
haze
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «яркость дымки»  сравнивается с рекомендуемым значением (см. фиг. 12):
haze ≤ haze
haze
rec
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
haze > haze
haze
haze
rec
max
- если  параметр  сравнивается с максимально допустимым значением :
haze ≤ haze
max
- если  параметру haze присваивается статус «удовлетворительно»,
haze > haze
max
- если  параметру haze присваивается статус «неудовлетворительно».
Оценка радиометрического разрешения
Оценка номинального радиометрического разрешения
Номинальное радиометрическое разрешение определяется техническими характеристиками изображения. Оно выражается в единицах объёма памяти, т.е. количеством бит, используемом для хранения и представления цвета одного пикселя растрового изображения. Численной характеристикой радиометрического разрешения также является ширина диапазона - число уровней дискретизации, которым могут быть переданы яркостные особенности объекта съёмки.
Номинальное радиометрическое разрешение фотоснимков, применяемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, должно составлять не менее 8 бит/пиксель на цветовой канал, что соответствует ширине диапазона 256 градаций тона на каждый цветовой канал.
Оценка фактического радиометрического разрешения
Фактическое радиометрическое разрешение определяется по гистограмме числом её ненулевых значений (см фиг. 13). Численной характеристикой также является относительный показатель, определяющий фактическое радиометрическое разрешение как процент от номинального:
R
R
bit
img
bit
где  - величина фактического радиометрического разрешения, определяемая числом ненулевых значений гистограммы фотоснимка, - номинальное радиометрическое разрешение
Рекомендуемое значение фактического радиометрического разрешения фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно быть не менее 94% от номинального, минимально допустимое 86%. Для изображений с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель абсолютные значения показателя составляют 240 и 220 (число градаций тона) соответственно.
Оценка полезного (эффективного) радиометрического разрешения
Полезное радиометрическое разрешение определяется фактическим радиометрическим разрешением за исключением числа градаций тона, относящихся к случайному шуму (фиг. 13):
Относительный показатель, полезного радиометрического разрешения определяется как процент от номинального:
Рекомендуемое значение полезного радиометрического разрешения фотоснимков, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно быть не менее 88% от номинального, минимально допустимое 82%. Для изображений с радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель абсолютные значения показателя составляют 225 и 210 (число градаций тона) соответственно.
R
bit
Оценка качества по параметру «радиометрическое разрешение» (см. фиг. 14).
haze
N
RMS
Первым этапом при оценке данного параметра является анализ показателей «яркость дымки» и «СКО случайного шума» :
N
R
RMS
bit
- если одновременно haze и  имеют статус «неудовлетворительно», параметру  автоматически присваивается значение «неудовлетворительно»,
R
R
bit
bit
rec
- если данное условие не выполняется, вычисленный по фотоснимку показатель «радиометрическое разрешение»  сравнивается с рекомендуемым значением :
R
≥ R
R
bit
bit
rec
bit
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
R
< R
R
R
bit
bit
rec
bit
bit min
- если  параметр сравнивается с минимально допустимым значением :
R
≥ R
R
bit
bit
min
bit
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
R
< R
R
bit
bit
min
bit
- если  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно».
Оценка потери информации в области тени и засветки
Потеря информации в области тени проявляется в виде присутствия на аэро- и космических фотоснимках глубоких тени, препятствующих дешифрированию попавших в них объектов.
Потеря информации в области засветки характеризуется наличием на изображении пикселей с максимально возможным значением, которое позволяет номинальное радиометрическое разрешение.
Примечание: для фотоснимка с номинальным радиометрическим разрешением 8 бит/пиксель к области засветки относятся пиксели со значением 255.
Оценка показателей потери информации в области тени и засветки
Потеря информации в области тени и засветки определяется по гистограмме, которая в данном случае имеет характерный выброс при максимальном и минимальном и значении пикселя (см. фиг. 15 и 16).
Потеря информации в области тени и засветки также возникает при нехватки диапазона номинального радиометрического разрешения, возникшей в результате некорректного подбора параметров съёмки или постобработки при подборе радиометрического профиля (см. фиг. 17).
Количественной характеристикой потери информации в области тени является число пикселей изображения с минимальным для его фактического радиометрического разрешения значением.
Потеря информации в области засветки определяется числом пикселей с максимально возможным для номинального радиометрического разрешения значением.
Численным показателем потери информации в области тени и засветки является процент соответствующих пикселей от общего числа пикселей изображения:
lack
lack
n
n
N
ill
shd
ill
shd
img
где  и  - процент потери информации в области тени и засветки соответственно,  и  - число пикселей с максимальным для номинального радиометрического разрешения значением и минимальным для фактического радиометрического разрешения значением соответственно, - общее число пикселей изображения.
Рекомендуемое значение потери информации в области тени и засветки на фотоснимках, получаемых для картографических работ и работ по топографической съёмке местности, не должно превышать 0,1%, максимально допустимое 0,5%.
lack
shd
Оценка качества по параметру «потеря информации в области тени»
lack
lack
shd
shd
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «потеря информации в области тени»  сравнивается с рекомендуемым значением (см. фиг. 18):
lack
≤
lack
lack
shd
shd
rec
shd
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
lack
lack
lack
lack
shd
shd
rec
shd
shd
max
- если  >  параметр  сравнивается с максимально допустимым значением :
lack
≤
lack
lack
shd
shd
max
shd
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
lack
lack
lack
shd
shd
max
shd
- если  >  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно».
lack
ill
Оценка качества по параметру «потеря информации в области засветки» .
lack
lack
ill
ill
rec
Вычисленный по фотоснимку показатель «потеря информации в области засветки»  сравнивается с рекомендуемым значением (см. фиг. 19):
lack
≤
lack
lack
ill
ill
rec
ill
- если  параметру  присваивается статус «хорошо»,
lack
lack
lack
lack
ill
ill
rec
ill
ill
max
- если  >  параметр  сравнивается с максимально допустимым значением :
lack
≤
lack
lack
ill
ill
max
ill
- если  параметру  присваивается статус «удовлетворительно»,
lack
lack
lack
ill
ill
max
ill
- если  >  параметру  присваивается статус «неудовлетворительно».
Вычисление структурометрических и градационных показателей изобразительного качества (за исключением цветового разбаланса) цветных фотоснимков производят в режиме «градации серого» путём их принудительного преобразования в данный режим.
При необходимости детального анализа изобразительного качества цветных фотоснимков расчёт соответствующих показателей производится отдельно по каждому цветовому каналу (красному, зелёному, синему).
Документирования результатов оценки изобразительного качества материалов аэро- и космической съёмки получаемых, для картографических работ и работ по топографической съёмке местности.
По результатам оценки качества изобразительного качества материалов аэро- и космической съёмки составляется каталог, в котором содержатся идентификаторы фотоснимков, значения вычисленных показателей и общий вывод о качестве фотоснимка (хорошее, удовлетворительное, неудовлетворительное).
Значения вычисленных показателей изобразительного качества могут присваиваться фотоснимкам в качестве атрибутов растрового файла.
Для реализации описанного выше способа используется система численной оценки изобразительного качества аэро- и космических фотоснимков, получаемых для целей картографирования (см. фиг. 20).
RMS
bit
ill
shd
RMS
bit
ill
shd
bit
RMS
RMS
bit
shd
ill
bit
bit
Принцип работы данной системы заключается в следующем в блок хранения данных 1 загружается аэро- или космический фотоснимок, далее фотоснимок поступает в блок вычисления пространственной разрешающей способности R 2, блок вычисления фотографической резкости s 3, блок вычисления локального контраста K 4, блок вычисления цветового разбаланса цвета (Δ) 5, блок вычисления СКО случайного шума (N) 6, блок вычисления яркости дымки (haze) 7, блок вычисления радиометрического разрешения(R) 8 и блок вычисления показателей потери информации в области теней и засветки (lack, lack) 9 для вычисления пространственной разрешающей способности R, фотографической резкости s, локального контраста K, цветового разбаланса (Δ), СКО случайного шума (N), яркости дымки (haze), радиометрического разрешения (R) и показателей потери информации в области теней и засветки (lack, lack) соответственно выше описанными способами. В блок вычисления фотографической резкости s 3 поступают найденные и выделенные пограничные переходы на фотоснимке из блока вычисления пространственной разрешающей способности R 2 для вычисления фотографической резкости s. В блок вычисления радиометрического разрешения (R) 8 поступают вычисленные значения СКО случайного шума (N) и яркости дымки (haze) из блока вычисления СКО случайного шума (N) 6 и блока вычисления яркости дымки (haze) 7 соответственно для вычисления радиометрического разрешения (R). В блок вычисления показателей потери информации в области тени и засветки (lack, lack) 9 поступает вычисленное значение радиометрического разрешения (R) из блока вычисления радиометрического разрешения (R) 8.
Для сравнения и присвоения статуса каждому показателю из блока хранения данных 1 в блоки 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17 поступают рекомендуемыми и допустимыми значениями показателей.
RMS
bit
shd
ill
Далее сравнивают каждый вычисленный по фотоснимку показатель с рекомендуемыми и допустимыми значениями отдельно в блоке сравнения пространственной разрешающей способности R 10, блоке сравнения фотографической резкости s 11, блоке сравнения локального контраста K 12, блоке сравнения цветового разбаланса цвета (Δ) 13, блоке сравнения СКО случайного шума (N) 14, блоке сравнения яркости дымки (haze) 15, блоке сравнения радиометрического разрешения (R) 16 и блоке сравнения показателей потери информации в области тени и засветки (lack, lack,) 17 соответственно и по результатам сравнения каждому показателю присваивают статус «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно» в соответствии с вышеописанными способами.
bit
bit
RMS
RMS
RMS
Дополнительно для присвоения статуса пространственной разрешающей способности R и фотографической резкости s в блок сравнения пространственной разрешающей способности R 10 и блок сравнения фотографической резкости s 11 соответственно из блока сравнения локального контраста K 12 поступает результаты сравнения локального контраста K снимка с рекомендуемым и допустимым значениями. Дополнительно для присвоения статуса радиометрического разрешения (R) в блок сравнения радиометрического разрешения (R) 16 поступают присвоенные статусы СКО случайного шума (N) и яркости дымки (haze) из блока сравнения СКО случайного шума (N) 14 и блок сравнения яркости дымки (haze) 15 соответственно. Из блока сравнения пространственной разрешающей способности R 10 и блока сравнения фотографической резкости s 11 поступают присвоенные статусы пространственной разрешающей способности R и фотографической резкости s в блок сравнения СКО случайного шума (N) 14.
RMS
bit
ill
shd
Далее в блоке статуса качества фотоснимка 18 на основе присвоенных статусов показателей, полученных из блока сравнения пространственной разрешающей способности R 10, блока сравнения фотографической резкости s 11, блока сравнения цветового разбаланса (Δ) 13, блок сравнения СКО случайного шума (N) 14, блока сравнения яркости дымки (haze) 15, блока сравнения радиометрического разрешения (R) 16, блока сравнения показателей потери информации в области теней и засветки (lack, lack) 17, присваивают фотоснимку значение «хорошее» или «удовлетворительное» или «неудовлетворительное». Значение «хорошее» присваивают фотоснимку если более 50% показателей фотоснимка имеют статус «хорошо», значение «удовлетворительное» присваивают фотоснимку если более 50% показателей фотоснимка имеют статус «удовлетворительно», значение «неудовлетворительное» присваивают фотоснимку если хотя бы один из показателей фотоснимка имеет статус «неудовлетворительно», не зависимо от статуса остальных показателей.
Ниже приведены примеры оценки изобразительного качества аэрофотоснимков.
В таблице 1 и 2 представлены расчеты показателей изобразительного качества аэрофотоснимков, полученных камерами Phase One iXU-RS1900 и Sony DSC-RX1RM2.
В колонке 1 и 2 приведены порядковый номер и названия показателей изобразительного качества. В колонке 3 единицы измерения показателя и в случае необходимости пояснения, по какому направлению выполнен расчёт (ось X - вдоль строк или Y -  вдоль строк изображения). В колонке 4 значения показателей изобразительного качества, непосредственно определённые по снимку. В колонке 5 рекомендованные значения соответствующих показателей, в колонке 6 вывод о том, превышает/не превышает вычисленный показатель изобразительного качества (колонка 4) значение в колонке 5. В колонке 7 допустимые значения показателей изобразительного качества, в колонке 8 вывод о том, превышает/не превышает вычисленный показатель изобразительного качества (колонка 4) значение в колонке 7. Колонка 9 содержит вывод о статусе качества показателя - «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно».
Внизу под таблицей приведена сводная информация, содержащая общее каличество показателей, число параметров, которые имеют статус «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно», на основании которых изобразительному качеству фотоснимка присваивается соответствующий статус.
Пример 1.
На фиг. 21 изображен аэрофотоснимок, полученный камерой Phase One iXU-RS1900.
Выводы:
Общее число параметров - 7:
статус «хорошо» - 7
статус «удовлетворительно» - 0
статус «неудовлетворительно» - 0
Общий статус качества фотоснимка - «хорошо»
Пример 2.
На фиг. 22 изоюражен аэрофотоснимок, полученный камерой Sony DSC-RX1RM2.
Общее число параметров - 7:
статус «хорошо» - 3
статус «удовлетворительно» - 0
статус «неудовлетворительно» - 4
Общий статус качества фотоснимка - «неудовлетворительно»
Библиография
1. ГОСТ 15467-79 Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения.
2. ГКИНП-09-32-80 Основные положения по аэрофотосъемке, выполняемой для создания и обновления топографических карт и планов.
3. ГКИНП-02-121-79 Руководство по дешифрированию аэроснимков при топографической съемке и обновлении планов масштабов 1:2000 и 1:5000.
4. ГКИНП (ОНТА)-12-274-03 Руководство по оценке качества исходных материалов.
5. ГОСТ Р 59328-2021 Аэрофотосъемка топографическая. Технические требования.
6. Кучко А.С. Аэрофотография. Основы и метрология. - М.: Недра, 1974. - 272 с.
7. Кадничанский С.А.
Оценка контраста цифровых аэрофото- и космических снимков // Геодезия и картография. - 2018. - Т. 79. - № 3. - С. 46-51. DOI: 10.22389/0016-7126-2018-933-3-46-51.
8. Аникеева И.А., Кадничанский С.А.
Оценка фактической разрешающей способности аэро- и космических фотоснимков по пограничной кривой // Геодезия и картография. - 2017. - Т. 78. - № 6. - С. 25-36. DOI: 10.22389/0016-7126-2017-924-6-25-36.
9. Blanc P., Wald L. A review of earth-viewing methods for in-flight assessment of modulation transfer function and noise of optical spaceborne sensors. 2009. ffhal-00745076.
10. Meibner, H., Cramer, M., and Reulke, R.
, 2018: Towards Standardized Evaluation of Image Quality for Airborne Camera Systems. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLII-1, 295-300, https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-1-295-2018.
11. Lim, P.-C., Kim, T., Na, S.-I., Lee, K.-D., Ahn, H.-Y., Hong, J., 2018: Analysis of UAV Image Quality Using Edge Analysis. Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLII-4, 359-364. doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-4-359-2018.
12. Jae-In Kim and Taejung Kim Development of a Natural Target-based Edge Analysis Method for NIIRS Estimation // Korean Journal of Remote Sensing, Vol.27, No.5, 2011, pp.587~599.
13. Мальцев Е.А., Маглинец Ю.А., Брежнев Р.В. Методика расчёта критерия оценки качества спутникового изображения на основе вычисления геометрической концентрации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. №5. С. 35-44.
14. http://www.novacenter.ru/cmsms/uploads/images/news/pdf/YartsevaAA_quality_estimation.pdf.
15. Crespi M., Vendictis L. A Procedure for High Resolution Satellite Imagery Quality Assessment // Sensors 2009, 9, 3289-3313; doi:10.3390/s90503289.
16. Mohammad Shahrokhy S. Visual and Statistical Quality Assessment and Improvement of Remotely Sensed Images URL: https://www.isprs.org/proceedings/XXXV/congress/yf/papers/950.pdf.
17. Kim H., Kim D., Kim S., Kim T. Analysis of The Effects of Image Quality on Digital Map Generation from Satellite Images // International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Volume XXXIX-B4, 2012. XXII ISPRS Congress, p. 127-130.
18. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е. О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли на местности // Информация и космос. - 2018. - № 3. - С. 143-146.
19. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е. О критериях оценки предельного инструментального разрешения космического аппарата дистанционного зондирования Земли // Информация и космос. - 2018. - № 4. - С. 137-145.
20. Волков С.А., Свиридов К.Н., Тюлин А.Е. Реальное инструментальное разрешение на местности зарубежных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли сверхвысокого разрешения // Информация и космос. - 2011. - № 1. - С. 150-159.
21. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е. Новая технология оценки и максимизации предельного инструментального разрешения космических аппаратов дистанционного зондирования Земли на местности // Информация и космос. - 2019. - № 2. - С. 118-124.
22. Свиридов К.Н., Тюлин А.Е. Информационные и финансовые потери несовершенного проектирования оптико-электронной аппаратуры космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Информация и космос. - 2020. - № 1. - С. 152-160.