Satiladu: kujundusmoodul

Satiladu on interaktiivne satelliidiandmete vaatamise rakendus ja tööriist, mis pakub võimalust satelliidipilte dünaamiliselt uurida. Kasutajad saavad hinnata, kuidas need andmed võiksid nende valdkonda või huvisid rikastada. Samuti saab rakenduses luua isikupäraseid kaardikihte ja neid teistega jagada.

Otsingulehel saate kuupäeva vahemiku määramise järel leida endale uurimiseks sobiva satelliidipildi. Pildile klikkides avaneb teile eelvaate aken (Pilt 1). Eelvaate aknas on teil võimalik külgmiste noolte kaudu vahetada kuupäeva või akna päises asuvate nooltega vahetada filtrit. Kujundusmoodulini jõuate nuppudest "Kujunda ise" või "Vaata lähemalt", misjärel avaneb teile Satilao sisemine rakendus.

Kui vajutasite nupule "Kujunda ise", on teil avanenud lehel liuguritega kujundusmoodul juba avatud režiimis. Nupule "Vaata lähemalt" vajutamisel saate kujundusmooduli ise avada ülevalt paremalt nurgast pildil toodud nupust (Pilt 2). Kaardil mugavamaks liikumiseks saate kasutada Maa- ja Ruumiameti hübriidkaarti (all vasakul nurgas) või in-ADS aadressiotsingu välja (valge tekstikast üleval vasakul nurgas või paremal üleval nurgas, kui olete mobiilses vaates). Kujundusmooduli kasutamisel soovitame hübriidkihi välja lülitada, kuna sellel olevad nähtused ja kirjed võivad satelliidipildi sisu varjutada, eriti kui soovite lähemalt uurida veekogusid.

Valgus ja värvid

Valgust saab kvantifitseerida elektromagnetilises spektris olevate lainepikkuste järgi. Nähtav valgus ulatub umbes 400–700 nanomeetrini (nm) ning see on vaid väike osa laiemast elektromagnetilisest spektrist. Värv on nähtava valguse osa, mida inimsilm suudab tajuda. Punane, sinine, roheline ja kõik teised värvid, mida me tajume, on tegelikult meie silmade ja aju vastus erinevatele valguslainete pikkustele, mis jõuavad meie silma.

Värvid satelliidipiltidel võivad varieeruda sõltuvalt valgus- ja atmosfäärioludest. Sama objekti, näiteks taimkatte või veekogude, esitus võib tunduda erinev sõltuvalt pildi jäädvustamisajast, pilvede või saaste olemasolust, mis mõjutavad kuvatavate objektide heledust või tumedust. Samuti võib kontrast või naaberobjektide värv mõjutada pildil detailide eristamist.

Satilao erineva värvilahendusega kaarditoodete valik võimaldab valida endale sobivama või paremini mõistetava värviskeemi. Värvilahendus tuleks vajadusel kohandada rakenduse spetsiifilistele eesmärkidele ja nõudmistele, et tuua esile olulised objektid või nähtused. Näiteks põllumassiivide puhul valitakse värvid selliselt, et need toovad selgelt esile erinevad põllumajandustegevuse etapid või maakasutusviisid, mil üleujutuste väljatoomisel on oluline veekogude ja maismaa selge eristamine. Satilao kujundusmoodul võimaldab värvide kohandamist hõlpsalt teha.

RGB

RGB kombinatsioon on viis, kuidas kuvarid, nutiseadmed ja muud ekraanid loovad erinevaid värve. See lühend tähistab kolme põhivärvi: punane (R, inglise keeles red), roheline (G, inglise keeles green) ja sinine (B, inglise keeles blue). RGB-värvimudel võimaldab iga piksli värvuse esitamiseks kasutada kolme põhivärvi komponenti, mille väärtused määravad, kui palju punast, rohelist ja sinist värvi iga piksel sisaldab. Kui vaatame RGB satelliidipilti (Pilt 3), saame looduslikule olule lähedase tulemi, kuna see jäljendab inimsilma tajutavaid värve: veekogud on sinakad, metsad ja rohumaad rohelised, taimkatteta tehispind hallikas. RGB satelliidipilti on hea kasutada võrdlusreferentsina, kui vaadeldakse muudetud spektrikombinatsioonis valevärvipilti, kuna sellel on nähtused meile äratuntavamas intuitiivsemas värvis.

Kaugseire sensorid koguvad maapinnalt tagasipeegeldunud valgust ning esitavad selle digitaalses vormis. Pikslid on kindla värvi ja heledusega ruudukesed, mis lausalise massiivina moodustavad pildikujutise. Iga piksel kannab endas teavet selle kohta, milline oli valguse tagasipeegeldumine vastavas piirkonnas. RGB fotopildi puhul väljendatakse iga värvi intensiivsust numbriliste väärtustena, tavaliselt vahemikus 0–255. Iga väärtus vastab sellele, kui tugevasti iga värv (punane, roheline, sinine) on esindatud antud pikslis. Näiteks arvukolmik 62, 181, 157 tähendab, et punase komponendi heledus on 62, rohelise komponendi heledus 181 ja sinise komponendi heledus 157. Inimesele paistab selline piksel ilusa rohekassinise tooniga. RGB värvisüsteemiga saab tutvuda ka näiteks pilditöötlusprogrammides (nt MS Paint joonisel 4).

Vaikimisi on kujundusmoodulis valgusspektri järjestus samuti RGB - parameetrid vasakult paremale vastavalt 1. kanal punane, 2. kanal roheline, 3. kanal sinine (Pilt 5). Mooduli alumises osas on kasutajal võimalik liuguri abil muuta nende kanalite heledusastet. Sisuliselt võimaldab kujundusmoodul meil valida, millisesse nähtava spektri kanalisse – punasesse, rohelisse või sinisesse – paigutada sensori poolt mõõdetud info. Valikus on kuus erinevat parameetrit: punane, roheline, sinine, lähi-infrapuna, NDVI, NDPI. Viimased kaks on arvutuslikul teel saadud indeksid, mille kohta saate lähemalt lugeda vastavalt NDVI või NDPI lehelt.

Üldise satelliidipildi värvumise loogika järgi kujundusmoodulis tulevad 1. kanalis (punane) sensori poolt mõõdetud kõrged (positiivsed) väärtused välja punase tooniga ning 2. kanalis (rohelises) ja 3. kanalis (sinises) vastavalt rohelise ja sinise tooniga. Arvestada tuleb siin aga nüansiga, et olenevalt liugurite asendist, värvid ka interakteeruvad omavahel. Seda visualiseerib hästi näiteks RGB-CMY värvimudel (Pilt 6). Saame teatud reserveeringuga teha üldistuse, et kui satelliidipildil on nähtus kolmnurga tipuga samas toonis, annab see meile infot, et vastavasse kanalisse asetatud parameetri väärtused on selles asukohas kõrged. Värvimudeli kolmnurga (Pilt 6) tippude vahelisele alale jäävad värvid – kollane, violetne roosa ja helesinine – näitavad meile vastavalt, et värvist kummalegi poole jäävas kanalis on satelliidipildil vaadeldaval alal spektriväärtused enam-vähem võrdsetes osakaaludes. Näiteks kui satelliidipildil on ala erksa roosa või violetse tooniga, saame järeldada, et 1. ja 3. kanalisse asetatud spektriväärtused järelikult on omavahel võrreldavates osakaaludes ning 2. kanali (roheline) spektri osatähtsus on madal. Kui satelliidipildil on ala valge tooniga, siis viitab see sellele, et kõigis kanalites on väärtused võrdsed või väga sarnased, kuna valge värv on kõigi RGB-kanalite maksimaalsete väärtuste segu.

Järgneval illustratsioonil (Pilt 7) on kasutatud punane-roheline-sinine (RGB) spektrikombinatsiooni iga näite korral, see tähendab, et 1. kanalisse on asetatud punane valgus, 2. kanalisse roheline ning 3. kanalisse sinine valgus. Demonstreerimise eesmärgil on näidatud, kuidas satelliidipilt värvub, kui ühe kanali väärtusi liuguri abil üle võimendada ning teiste kanalite väärtusi vastavalt minimeerida: vasakult paremale vaadates maksimeeritud vaheldumisi vastavalt punast valgust 1. kanalis (vasakul), rohelist valgust 2. kanalis (keskel) ja sinist nähtava valguse spektrit 3. kanalis (paremal).

Kujundusmoodul ja LUT komponent

Bit (inglise keeles binary digit) on arvutiteaduse väikseim andmeühik, millel on kaks võimalikku väärtust – 0 või 1. See on arvutisüsteemide alus, milles andmeid töödeldakse ja salvestatakse kahendsüsteemis. Nii-nimetatud 8-bit kasutab väärtuse esitamiseks 8 bitti, mis võimaldab kokku 2^8 ehk 256 võimalikku erinevat väärtust vahemikus 0 kuni 255. Piltide puhul kasutatakse seda sageli näiteks halltooni tasemete (inglise keeles grayscale) jaoks, kus iga piksel saab olla üks 256st erinevast toonist.

LUT tuleneb ingliskeelsest vastest Look-up table. Selle tõlkeks võiks kasutada väljendit "otsingutabel", mida andmeteaduses harilikult kasutatakse andmete leidmiseks vastavalt sisestatud võtmeväärtusele. Toonid 0–255 on jagatud kaheksaks väärtuseks: 0, 31, 63, 95, 127, 159, 191, 223, 255. Võime neid toone kujutleda ette värvigradiendina mustast (0) valgeni (255).

Kui liugurite asend kujundusmoodulis on esialgu muutmata, peegeldub see ka LUT väärtustes. Aadressiribal on näha lut1=0:0,31:31,63:63,95:95,127:127,159:159,191:191,223:223, 255:255–kõik väärtuste paarid on ühtivad (Pilt 9).

Kui nüüd liugureid liigutada, arvutatakse LUT väärtused ümber, näiteks järgnevalt:

lut1=0:0,31:97,63:166,95:210,127:235,159:159,191:191,233:233,255:255.

Liuguris tehtud muudatustele vastavalt arvutatakse toonidele uus väärtus, sealjuures algus ja lõpp (ehk 0 ja 255) jäävad muutmata. Toodud näites on näha näiteks, et väärtus 31 asendatakse väärtusega 97 (kanali vastav osa muutub heledamaks). Väärtuste muutmine toimub lineaarselt. Need väärtused on 0–255 skaalal, kuigi algne pilt ise on 16-bit ehk väärtused vahemikus 0–65535. Seega LUT-i abil saab väärtused "suruda" 8-bitisesse vahemikku (0 kuni 255). Kuna esialgne 16-bitine pilt ulatub vahemikku 0–65535, siis skaala kitsendatakse esmalt vahemikku 0–4080, et muuta pildi ulatus sobivamaks edasiseks 8-bitise skaalaga töötlemiseks (0–255).

Seega selle kanali vastava osa väärtused muudetakse näiteks nii:

0–65535 -> 0–4080 -> 0–255, millest osa 0–31 muutub 0–97 ja 31–97 muutub 63–166, ning edasi skaleeritakse ülejäänud väärtused vastavalt, et saavutada soovitud visuaalne kontrast ja heledus.

Kanaleid koheldakse kõiki võrdselt. See tähendab, et nii nagu nende algne väärtus on, nii neid ka kuvatakse. Kanalite originaalväärtuste teisendamine käib tailide (pildiruutude) kokku panemisel. Erinevaid kanaleid võidakse vastavalt väärtustele skaleerida erinevalt, et nähtavust võimendada. Väljundfailis on kõik kanalid ilma negatiivsete väärtusteta (inglise keeles Unsigned 16bit) ja vahemikus 0–65535. Kui mõni kanal on sisendfailis väiksemate väärtustega (ehk juba tumedam), siis paraku kuvatakse teda ka väljundis tumedamana ning heledust tuleb rohkem lisada.

Suvine satelliidi fotopilt (RGB) on reeglina domineerivalt roheline, mis tähendab üldjuhul kõrgeid väärtusi rohelise valguse ja lähi-infrapuna osas. Talvine RGB satelliidipilt on tüüpjuhul pruunides toonides või sinakas valge, kui lumikate on maas – sellisel satelliidipildil on rohelise nähtava valguse väärtused oluliselt madalamad ja punase valguse osakaal seevastu kõrgem. Alltoodud näidisel (Pilt 10) võiks visuaal olla värvimudeli loogika järgi helesinine, kuna korraga on maksimeeritud rohelise ja sinise kanali väärtuseid, ent siiski on pilt suures osas rohelistes toonides, kuna rohelise valguse spektri osakaal suvisel ajal on niivõrd domineeriv.

Üks kasulik meetod, mida rakendada, on panna kõik spektri kanalid ühele ja samale parameetrile. Teeme näite nähtava punase valgusega (Pilt 11). Kanalite ühtlustamine (näiteks valides kombinatsiooni Punane-Punane-Punane) muudab pildi must-valgeks, kuna kõik kanalid edastavad sama intensiivsuse taset. See aitab analüüsida, kuidas üks spektri komponent mõjutab pilti, ilma teiste spektrite segava mõjuta. Moodustunud must-valge pildi puhul viitab must toon (või halli tumedam gradient) sellele, et kanalitesse valitud parameetri (nt punase) spektri intensiivsus on madal või vähene. Vastupidi, valge toon näitab, et vastava spektri intensiivsus on kõrgeim. Halltoonid vahepeal tähistavad spektri intensiivsuse keskmisi väärtusi: tumedamad hallid toonid näitavad madalamat, heledamad hallid vastavalt kõrgemat intensiivsust.

Parameetrid aadressiribal ja nende rakendatavus

Järgnevalt näidis Satilao sisemise rakenduse aadressiriba parameetritest koos selgitustega.

https://teenus.maaamet.ee/ows/wms-satiladu?sensor=sentinel-2&
filter=msi&bands=1,2,3&
curve=-1&curver=1&curveg=1&curveb=1&
lut1=0:0,31:31,63:63,95:95,127:127,159:159,191:191,223:223,255:255&
lut2=0:0,31:31,63:63,95:95,127:127,159:159,191:191,223:223,255:255&
lut3=0:0,31:31,63:63,95:95,127:127,159:159,191:191,223:223,255:255&
date=2023-06-08&csensor=sentinel-2&
cfilter=msi&cbands=1,2,3&
ccurve=100&ccurver=66&ccurveg=100&ccurveb=100&
clut1=0:0,31:255,63:255,95:255,127:255,159:255,191:255,223:255,255:255&
clut2=0:0,31:255,63:255,95:255,127:255,159:255,191:255,223:255,255:255&,
clut3=0:0,31:255,63:255,95:255,127:255,159:255,191:255,223:255,255:255&
cdate=2023-06-10&mapbox=484674,6568590,526417,6587877

URL-is esitatud parameetrite selgitus:

1. sensor=sentinel-2
   Täpsustab, et kasutatakse Sentinel-2 satelliidi missiooni andmeid..

2. filter=msi
   Määrab, et kasutatakse MSI (multispektraalne instrument, inglise keeles Multispectral Instrument) filtri andureid.

3. bands=1,2,3
   Täpsustab, et kasutatakse kolme erinevat spektrikanalit: band 1(punane), band 2 (roheline), band 3 (sinine). Need kanalid on tavalised RGB kanali ekvivalendid, mida kasutatakse satelliidipiltide värvi muutmiseks ja analüüsimiseks.

4. curve=-1, curver=1, curveg=1, curveb=1
   Määravad värvikõverate väärtused, mida kasutatakse piltide toonide reguleerimiseks.

   • curve=-1: Üldine kõver, mis võib tähendada kontrasti või heleduse muutmist kogu pildil.
   • curver=1, curveg=1, curveb=1: Eraldi määratud kõverad punase (r), rohelise (g) ja sinise (b) kanali jaoks, et kohandada iga kanali värvust.

5. lut1, lut2, lut3
   Määravad LUT (Look-Up Table) väärtused iga kanali jaoks:

   • lut1: punase kanali jaoks (näiteks 0:0, 31:31 jne)
   • lut2: roheline kanal
   • lut3: sinine kanal
     LUT väärtused määravad, kuidas iga spektri väärtus (0-255) kaardistatakse värvitoonidesse.

6. date=2023-06-08
   Täpsustab, et vaadeldav satelliidipilt pärineb kuupäevast 2023-06-08.

7. csensor=sentinel-2
   Täpsustab, et võrreldava pildi sensor on Sentinel-2.

8. cfilter=msi
   Sarnane filter=msi määramisega, mille kaudu täpsustatakse, et võrreldav andur on samuti MSI.

9. cbands=1,2,3
   Täpsustab, et võrreldakse 1, 2, 3 spektrikanaleid, mis nagu eelnevalt mainitud, on punane, roheline ja sinine.

10. ccurve=100, ccurver=66, ccurveg=100, ccurveb=100
    Täpsustavad võrreldud värvikõverate tugevust või väärtusi, mis määravad iga kanali kontrasti ja toonide mõju. Need väärtused võivad olla seotud pildi heledamaks muutmise või kontrasti reguleerimisega.

11. clut1, clut2, clut3
    Sarnane lut1, lut2, lut3 määramisele, kuid clut1, clut2, clut3 määravad võrreldava satelliidipildi värvide väärtused, mille põhjal pilt genereeritakse ja kuvatakse.

12. cdate=2023-06-10
    Täpsustab, et võrreldav kuupäev on 2023-06-10.

13. mapbox=484674,6568590,526417,6587877
    See määrab kaardi vaateala koordinaadid, mis määravad, millist piirkonda kaardil kuvada. Koordinaadid viitavad kaardi paremale, vasakule, ülemisele ja alumisele nurgale.