home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Magnum One / Magnum One (Mid-American Digital) (Disc Manufacturing).iso / d2 / wsortho1.arc / MAPDOCS.TXT < prev    next >
Text File  |  1991-06-13  |  19KB  |  330 lines

  1.  Background information and instructions for the sample digital orthophoto
  2.  image on floppy diskette.
  3.  
  4.  Prepared by:  Bob Gurda                            April 15, 1991
  5.                Wis.  State Cartographer's office
  6.                155 Science Hall
  7.                University of Wisconsin-Madison
  8.                Madison, WI  53706-1404        phone (608) 262-6850
  9.  
  10.  Background:
  11.  
  12.      Many managers and staff who administer land management programs over
  13.      large areas have wondered what modern desktop computer technology
  14.      could do to improve use of aerial photography.  Their concerns relate
  15.      both to convenience and to accuracy.  Recently it has become
  16.      practical to consider the potential development of geometrically
  17.      accurate digital imagery over large areas.  On this disk are files
  18.      that allow a limited preview of such a image library.
  19.  
  20.      As part of the CONSOIL Project (see Wisconsin Mapping Bulletin, July
  21.      1988), aerial photography was acquired over all of Dane County,
  22.      Wisconsin in the summer of 1987.  The original photo scale was
  23.      1:40,000.  This is about 1.5 inches = 1 mile.  (More specifically,
  24.      the acquisition was modelled on specifications for the National
  25.      Aerial Photography Program --- NAPP).  The purpose of the acquisition
  26.      was to create orthophotomaps, each covering 3.75 minutes of latitude
  27.      and longitude.  Each such map covers one-quarter of the area shown on
  28.      standard paper printed topographic quadrangle maps (which cover 7.5 X
  29.      7.5 minutes, and are produced at a scale of 1:24000 or 1" = 2000
  30.      feet).  These new image maps were prepared at a  scale  of  1:12000  or
  31.      1" = 1000 feet.  About 100 such orthophoto  quarter  quadrangle  (OQQ)
  32.      maps are needed to cover Dane County; 4600 would cover Wisconsin.
  33.  
  34.      "Ortho" means perpendicular, so an orthophoto is a photo that has
  35.      been geometrically modified in order to produce a view of the ground
  36.      like a map.  That is, at any point on the map, the view appears as
  37.      though the camera had been directly above that point  on  the  ground.
  38.  
  39.      An orthophoto is derived from standard aerial photography that is
  40.      acquired in overlapping mode.  The overlap, coupled with photo-
  41.      identifiable geodetic control (knowledge of the relative positions of
  42.      points that can be found in the photos), means that  the  terrain  can
  43.      be 'reconstructed' in a machine;  this  reconstruction  or  simulation
  44.      is called a stereo model.  Finally, with the knowledge of the terrain
  45.      from the stereo model, various distortions that occur  in  any  aerial
  46.      photograph can be corrected.  The result is an  image  derived  from  a
  47.      distorted aerial photograph, but that has the distortions removed.
  48.      This orthophoto has a defined and accurate map scale, and can be used
  49.      for measurements or location determination like a map.
  50.  
  51.     Commercial software already exists that can simultaneously display
  52.     both a digital orthophoto image and other digital information such as
  53.     field and/or wetland and/or ownership boundaries, or well locations
  54.     or potential forest timber sales,  etc.  Widespread  availability  of
  55.     moderate resolution digital imagery would help make possible a long
  56.     list of potential applications.
  57.  
  58. Contents of the diskette (1.2 MB, 5.25" pc type)
  59.  
  60. 1).  Image file:  BLKSW100.ORT
  61.  
  62.     Of the 140 OQQs produced in hard copy form for the Dane County area,
  63.     36 were also produced in digital form.  These  36  are  centered  over
  64.     the Black Earth Creek Watershed, just west of the Madison
  65.     metropolitan area.  From the much larger Black Earth Creek watershed
  66.     area, an easily manageable piece of digital  orthophoto  imagery  has
  67.     been selected for this sample.  It is from the southwestern quarter
  68.     of the area covered by the printed 7.5-minute  quadrangle  map  sheet
  69.     titled 'Black Earth'.  The printed OQQ sheet for this area is titled
  70.     'Black Earth Southwest'.  The digital sample  on  this  disk  includes
  71.     the village of Black Earth, US Highway 14, County Trunk  and  town
  72.     roads, a railroad corridor, a section of the  creek,  agricultural
  73.     fields, and pasture and wooded lands.
  74.  
  75.     This is a large file (about 1 MB) that contains data  that  codes  an
  76.     image.  It is made up of 1 million chunks of information, each of
  77.     which describes a level of grayness (on a scale between 0-255)  for  an
  78.     area on the ground that is 4 X 4 meters.  The  1  million  chunks,  or
  79.     ground areas, are called pixels (short for picture  elements).  In  the
  80.     case of this particular image, the image is square.
  81.  
  82.     It is built up as an array, or matrix, or grid of 1000 X 1000 (=l
  83.     million) pixels.  The array was created by  scanning  the  original
  84.     photograph at high resolution --- 100 microns in this  case.  A  micron
  85.     is one millionth of a meter, or one thousandth of a millimeter.
  86.     Thus, 100 microns is 1/10th of a millimeter.  In  inches,  this  is
  87.     equivalent to 1/250th of an inch).  At 1:40,000 original  scale  of  the
  88.     photograph, each pixel thus captured by the scanner represents 16
  89.     square meters on the ground (4m X 4m). (The  best  currently  available
  90.     satellite images have pixels of 10-30 meter  resolution,  corresponding
  91.     to 100-900 square meters).  The entire sample image on the diskette
  92.     covers 4000 X 4000 meters (or 4 X 4 kilometers --- a little more than 6
  93.     square miles) .
  94.  
  95.     Had the scanner been set up to collect gray level information every
  96.     25 microns (four times as fine as this sample image),  each  pixel
  97.     would have represented 1 square meter on the  ground.  The  result
  98.     would have been a digital image with more information extracted from
  99.     the original photo --- the on-screen image would look more detailed,
  100.     provided that the original photography in fact contained more detail
  101.     than that captured by the coarser resolution scanning.  In the case
  102.     of 1:40,000-scale photography, there is indeed more than enough
  103.     resolution in the image to justify scanning at 25 microns (or even
  104.     finer).
  105.  
  106.     But the idea of increasingly finer  scanning  has  its  limitations.
  107.     First, the photographic film cannot record  an  infinite  amount  of
  108.     detail.  In the case of NAPP  specifications,  the  aircraft  is  flying
  109.     at 20,000 feet --- almost 4 miles above the landscape --- and the  camera
  110.     is viewing an area that is almost 6 X 6 miles  in  size.  All  of  this
  111.     is being imaged on a piece of film that is 9  X  9  inches.  Each  type
  112.     of film has a different limit to its  resolving  power,  but  experts  say
  113.     that scanning at anything finer than 10  microns  (1  one-hundreth  of  a
  114.     millimeter) is going beyond current film capacity.
  115.  
  116.     A second limitation is not quite so absolute, but  more  a  matter  of
  117.     physial practicality and cost.  At  a  scanning  density  of  100  microns
  118.     from 1:40,000-scale aerial photography, like  the  image  on  this  disk,
  119.     and assuming 256 gray levels  being  discriminated,  the  combined-size
  120.     of digital files covering an average  Wisconsin  county  would  be  large-
  121.     --perhaps 150 MB.  For contrast,  a  high  density  PC  computer  diskette
  122.     holds 1.2 MB, and today's common hard disks  hold  30-150  MB.  By  the
  123.     use of emerging technology such as  compact  disk  read-only  memory  (CD-
  124.     ROM), where up to 600 MB can be encoded on  one  small  disk,  large
  125.     files can be accommodated.  An important trade-off to consider,
  126.     however, it that for every halving of  the  scanning  resolution  (such
  127.     as 25 instead of 50 microns), the digital file  size  for  the  same  area
  128.     on the ground is four times larger.  At  the  fine  end  of  scanning
  129.     resolutions, 10 microns, the average  Wisconsin  county  file(s)  would
  130.     be 10,000 MB, which could be coded onto 15 CD-ROMS.
  131.  
  132.     In this sample, each pixel has a gray  value  between  0  and  255.  This
  133.     requires one "byte" of computer data space to  represent  each  pixel.
  134.     But the human eye as well as typical  computer  monitors  today  cannot
  135.     make good use of 256 gray levels all at  the  same  time.  To  view  this
  136.     file effectively, you should use a VGA  adapter  card  and  compatible
  137.     monitor.  Color can be used  but  is  not  necessary.  VGA  capabilities
  138.     will allow 16 gray levels to be  displayed.  To  accomplish  this  when
  139.     the file contains 256 levels,  display  software  collapses  these  levels
  140.     into 16 display levels for viewing.
  141.  
  142.     Although the IMDISP software (see below) allows use  of  EGA  and  CGA
  143.     video adapter cards and displays, you  will  probably  be  disappointed
  144.     by the results.  VGA, which works best with IMDISP, is becoming a
  145.     fairly standard kind of display for many PC computer users.
  146.  
  147.     As the user, you can direct the display software  to  consider  only  a
  148.     certain range of the gray levels encoded in the  image  file  to  be
  149.     displayed across the 16 viewing  levels.  This  technique  is  usually
  150.     called "stretching" by people who work with  digital  imagery  on  a
  151.     regular basis.  Stretching an  image  provides  flexibility  in  making
  152.     (more) visible some of the subtle but  useful  variations  of  pattern
  153.     captured by the scanner in its creation of the image file.
  154.  
  155.    2). Executable file:  IMDISP.EXE
  156.  
  157.        This is a public domain (free) program that can display various kinds
  158.        of raster (gridded) image files.  It has a somewhat limited set of
  159.        features, and is not terribly user friendly.  But a person  familiar
  160.        with using a PC-type computer should be able to learn its basic
  161.        features fairly quickly.
  162.  
  163.        IMDISP was written at the Jet Propulsion Lab as an easy way to view
  164.        digital image files sent back from interplanetary space probes.  It
  165.        is also useful for viewing digital images of the earth, whether
  166.        acquired from satellites or from scanned aerial photography.
  167.  
  168.   3).  Documentation files:  IMDISP.DOC and README.DOC
  169.  
  170.        IMDISP.DOC is a user manual for IMDISP.EXE. It is in ASCII  format,
  171.        so it can be printed from the DOS prompt with a command like 'PRINT
  172.        IMDISP.DOC".  While there is an online 'help' function built into
  173.        IMDISP, you may benefit from having the manual printed out for
  174.        reference or study.
  175.  
  176.        README.DOC is a shorter ASCII file that explains the process of
  177.        orthophoto production and some of the characteristics of the image
  178.        file.
  179.  
  180.   4).  Batch files:  various DEMO*.BAT
  181.  
  182.        These are files written by Bob Gurda of the Wisconsin State
  183.        Cartographer's Office.  They are not DOS batch files, but work  only
  184.        after IMDISP has been started.  Depending on their design, a
  185.        particular batch file  may need to have an image file loaded prior to
  186.        being started.  (This is true of DEM04K.BAT)  Any one of these files
  187.        can be started by typing the command 'BATCH' followed by the name of
  188.        the demo file.  Since it is not possible to include comments  inside
  189.        these demo files and still have them function, they are undocumented.
  190.        These types of batch files can be modified or created with any ASCII
  191.        editing program starting from the DOS prompt.
  192.  
  193.   5).  Palette Files:  various PS*
  194.  
  195.        The IMDISP display software allows various colors to be defined for
  196.        the 16 different levels of information being displayed.  For
  197.        convenience, these can be defined in palette files.  Like a batch
  198.        file, these are created or modified with an ASCII editor.
  199.  
  200.   Getting started
  201.  
  202.   A.  Use  a  hard  disk  if  possible.
  203.             By transfering the  contents  of  the  diskette  to  a  special 
  204.             directory on your hard  disk,  you  will  find  that  the  program  
  205.             will display the image much faster than from the diskette. 
  206.  
  207.   B.  Use a fast computer if possible.
  208.             At a CPU processor  speed  of  16  Mhz,  the  display  program  
  209.             runs reasonably fast (in concert with the hard disk as mentioned 
  210.             above).  At  very  fast  CPU  speeds,  you  may  not  experience  
  211.             faster drawing to the  screen  because  the  limiting  factor  can  
  212.             become  the video  card.  Also,  slow  hard  disk  performance  
  213.             may  be  alleviated with disk  caching  software  and/or  creation  
  214.             of  a  ramdisk. 
  215.  
  216.   C.   Start the display software.
  217.        ---  Change to the appropriate drive/directory.
  218.        ---  Type "Set IMDISP=VGA"  <return>
  219.        ---  Type   "IMDISP"   <return>
  220.                   (hint:  put the above 3 steps in a DOS batch file)
  221.        ---  Type "help"      <return> ...this  will  preview  the  list  of
  222.                              available commands
  223.        ---  Type "File"     <return>
  224.        ---  Select the file BLKSW100.ORT by typing the appropriate
  225.                              number<return>
  226.        ---  Respond to the questions by typing
  227.                   1000   <return>
  228.                   1000   <return>
  229.                   8      <return>
  230.                   0      <return>
  231.        ---  Type   "display"   <return> ... you will see the orthophoto image
  232.             being  "painted"  starting  at  the  top  of  the  screen.  Assuming
  233.             that you have VGA display capabilities, you will see 480 rows
  234.             and 640 columns of the image (not the entire scene).
  235.        ---  Type "erase" <return> ... the screen will be erased.
  236.        ---  Type "display sub 3" <return>      ... now the entire  image  will  
  237.             fit on the VGA screen, but  at  a  loss  of  image  resolution,  
  238.             since  the software is  displaying  only  every  third  pixel  in  
  239.             every  third row. 
  240.        ---  Type "histogram" <return>     ... the computer will work for a 
  241.             while, then  display  a  graph  that  represents  the  
  242.             distribution  of gray levels across the entire 1 million pixel 
  243.             image.  That is, for each of the  256  gray  levels  (0-255),  the  
  244.             software  counts  how many pixels are coded for that level.  You 
  245.             will notice several things: First,  there  are  no  pixels  coded  
  246.             for  gray  levels  above about 220.  These  would  be  very  
  247.             bright  up  to  pure  white.  By contrast, there is a good deal of 
  248.             information down at the very dark end of the scale.  And  the  
  249.             bulk  of  pixels  are  bunched  in  a group that has gray levels 
  250.             between about 40 and 90. 
  251.        ---  Type "erase" <return>
  252.        ---  Type "disp"  <return>  ...to  redisplay  part  of  the  image
  253.        ---  Type "set dn hi 191"      <return> ...
  254.        ---  type "disp"             <return>
  255.        ---  Type "set dn lo 40"       <return>
  256.        ---  Type "set dn hi 90"       <return>
  257.                  ... these last two commands will cause those pixels coded 
  258.                  below gray level 40 all  to  be  displayed  as  black,  and  
  259.                  all those coded above gray  level  90  to  be  displayed  as  
  260.                  white. As a result, there  are  more  display  gray  levels  
  261.                  left  over to show  the  patterns  represented  amongst  the  
  262.                  pixels  coded between 40 and 90.  This accomplishes a 
  263.                  "stretch" of a range of the image. 
  264.       ---   Type "disp" <return>  ... to view the result.
  265.       ---   Try running the batch file "demo4k.bat" for a very short
  266.             introduction to digital orthophotography.
  267.  
  268.       Your  diskette  contains  several  palette  files:  "ps*".  To  access  
  269.       one of these, type "pal load ps5" for example.  Then type "pal edit" and 
  270.       the I's" key (repeat).  To get out of this edit mode, hit the "RETURN" 
  271.       key. 
  272.  
  273.       The  IMDISP  program  also  contains  internal  palette  files.  These  
  274.       are accessed via "pal ps o"  for  example.  Note  the  space  between  
  275.       ps and 0.  "pal ps 1" gives the default gray scale palette. 
  276.  
  277.       All of the color palettes result in "false color".  The data file 
  278.       represents gray  levels,  and  the  colors  merely  subtitute  for  
  279.       various shades of gray.  In many cases, the color effect is more 
  280.       distracting than useful in improving the visibility of features. 
  281.  
  282. *****************************************************************************
  283.  
  284.      Instructions for viewing  digital  orthophoto  files  created  with
  285.      various scanning resolutions.
  286.  
  287.  
  288.      There are several files on the two 360K 5.25" diskettes "ORT_RES_A"
  289.      and "ORT_RES_B" (alternatively, the contents of these two  diskettes
  290.      may be provided on one 720K 3.5"  diskette).  The  image  files  all
  291.      have an extension of "4bp".  This extension stands  for  "four  bits
  292.      per pixel".
  293.  
  294.      Copy all of these files to the same  directory  on  your  hard  disk
  295.      that holds the "IMDISP.EXE" program and the "BLKSW100.ORT" file.
  296.  
  297.      The demo file named "DEMO-RES.BAT" is run after entering  IMDISP  as
  298.      usual.  Simply type "Batch demo-res.bat" and  follow  the  information
  299.      that comes up on the screen.  As with the  full  digital  ortho  image
  300.      "BLKSW100.ORT", a VGA monitor is  necessary  to  effectively  display
  301.      these images.
  302.  
  303.      Any of the six images prepared  to  compare  various  photo  scanning
  304.      resolutions can be viewed  separately.  Simply  type  "file",  select
  305.      one of the "4bp" files by number, and  then  just  type  "display".
  306.      You might want to try using different  palettes  to  best  bring  out
  307.      the varying levels of detail in these samples.           Zooming   and
  308.      centering with "cursor" is also available as usual.
  309.  
  310.      Just to review the process of  producing  digital  orthophoto  files:
  311.  
  312.           Scan the original photo,  potentially  as  fine  as  10  microns
  313.           (about the limit of resolution of the film) .      When   using
  314.           1:40,000-scale NAPP photos, a 25-micron  scan  produces  1-meter
  315.           pixels.
  316.  
  317.           Resample the scanned pixels,  based  on  knowledge  of  inherent
  318.           distortion on the photo derived from the stereo  model  that  is
  319.           controlled by photo-identifiable geodetic control points.
  320.  
  321.           The resulting digital file can then  be  formatted  for  viewing
  322.           with various software packages, and can be  printed  to  a  film
  323.           recorder (high tech) or laser printer  (low  tech),  from  which
  324.           copies can then be made by various means.
  325.  
  326.  
  327.      Notes by Bob Gurda, Wis.  State Cartographer's Office
  328.      April 15, 1991
  329.  
  330.