Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время при изучении при-родно-территориальных комплексов широко применяется мониторинг, выполняемый по космическим снимкам, которые позволяют получать уникальную информацию об искусственных и естественных объектах на поверхности Земли.
Многозональные космические снимки позволяют распознавать широкий круг объектов, определять их свойства и свойства поверхности Земли. Появление космических снимков сверхвысокого разрешения существенно расширило возможности мониторинга. Также повышается периодичность получения космических снимков при постоянном снижении их стоимости. Все эти факторы позволяют организовать эффективную систему мониторинга природно-территориальных комплексов различных типов, при которой отслеживается развитие лесных массивов, сельскохозяйственных земель, водных объектов, промышленных сооружений, трубопроводов, дорог и т. д.
Эффективность любой системы мониторинга характеризуется степенью автоматизации дешифрирования снимков. Основная проблема мониторинга по космическим снимкам - это необходимость обработки чрезвычайно большого объема данных, полученных по многозональным снимкам.
Кроме того, особенность обработки космических снимков заключается в том, что полученные спектральные характеристики разновременных изображений существенно зависят от условий и времени съемки, типа подстилающей поверхности и других факторов.
Для устранения искажений и нормализации изображений выполняется специальная обработка снимков, позволяющая нормировать яркости. Существует большое количество алгоритмов обработки, но большинство из них можно использовать только в определенных условиях и для определенных объектов.
Степень разработанности проблемы. Решению задач автоматизированного дешифрирования аэрокосмических снимков и выявления по ним изменений посвящено большое количество работ известных ученых, как оте-
чественных (Журкин И.Г., Гук А.П., Пяткин В.П., Асмус В.В., Ярославский Л.П.), так и зарубежных (Гонсалес Р., Вудс Р., Прэтт У. и др.).
Но вследствие того, что спектральные характеристики изображаемой на снимках территории сильно зависят от условий и времени съемки, до сих пор не были разработаны алгоритмы, которые позволили бы с высокой степенью достоверности выполнить дешифрирование любых объектов, изображенных на космических снимках, и выявить изменения, произошедшие на местности.
Также требуется увеличить спектральное расстояние между изображениями различных типов объектов. Существующие алгоритмы, созданные для решения этих задач, хорошо работают для снимков съемочной системы определенного типа, в то время как для снимков съемочной системы другого типа часто требуется разработка новых алгоритмов.
Таким образом, необходимо разработать комплексную методику дешифрирования космических снимков, позволяющую использовать несколько алгоритмов и определять различные типы объектов.
Кроме методов, основанных на спектральных признаках, существует другая группа методов, основанная на структурных признаках. Структурные методы в меньшей степени зависят от внеших факторов, так как здесь используется не спектральная яркость изображения объекта местности, а другая, более устойчивая характеристика. На основе структурных признаков можно выделить по снимкам информацию, определить которую было бы невозможно, используя только спектральные свойства.
Таким образом, следует разработать комплекс методов и алгоритмов, которые позволили бы использовать спектральные и структурные признаки для дешифрирования и выявления по космическим снимкам изменений, произошедших на местности.
В рамках диссертационной работы для решения задач дешифрирования космических снимков были разработаны одни и усовершенствованы другие методики, основанные на спектральных признаках, а для решения задач выявления изменений - методики, основанные на структурных признаках.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности дешифрирования космических снимков природно-территориальных комплексов различных типов и выявления по ним изменений путем разработки общей технологической схемы проведения их мониторинга, включающей комплексную методику, основанную на использовании спектральных и структурных свойств изображений объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать существующие методики дешифрирования и выявления изменений по космическим снимкам;
разработать схему расчета коэффициентов преобразования Tasseled Сар для снимков FORMOSAT-2, отличающуюся способом выбора и отбраковки фрагментов для повышения статистической эффективности значений коэффициентов;
разработать единую методику многоступенчатого автоматизированного дешифрирования космических снимков высокого разрешения на основе совместного применения результатов преобразования Tasseled Сар и других алгоритмов, использующих спектральные свойства изображений объектов, в дереве решений;
усовершенствовать методику автоматизированного выделения изменений, основанную на использовании вейвлет-анализа и отличающуюся новым способом деления на фрагменты в виде пирамиды изображений;
разработать методику автоматизированного выделения изменений границы леса, основанную на вейвлет-анализе и новом способе генерализации лесной территории;
провести экспериментальные исследования разработанных методик;
сформулировать рекомендации по применению разработанных методик для различных природно-территориальных комплексов.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является технология использования многозональных космических снимков высокого разрешения для мониторинга природно-территориальных комплексов, а предметом -
алгоритмы автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков и выявления по ним изменений.
Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. В работе были использованы методы цифровой обработки изображений для дешифрирования космических снимков и выделения изменений. Для автоматизированного дешифрирования космических снимков были использованы алгоритмы Tasseled Сар и «Дерево решений», а для выделения изменений - вейв-лет-преобразование и коэффициенты корреляции.
Базой для исследований являются выполненные ранее исследования в области разработки методик дешифрирования аэрокосмических снимков и выделения изменений. При проведении экспериментальных работ были использованы космические снимки IKONOS, FORMOSAT-2, SPOT-5, QuickBird, World-View-2; аэроснимки; тематическая карта на территорию Суйгинского лесничества Молчановского района Томской области; пробные участки на территорию Молчановского района, содержащие информацию о породе и возрасте леса.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
комплексная методика автоматизированного дешифрирования космических снимков на основе использования алгоритма «Дерево решений» и преобразования Tasseled Сар;
усовершенствованная методика выявления изменений в лесных массивах по разновременным космическим снимкам на основе вейвлет-анализа;
методика автоматизированного выделения изменений границы лесной территории по разновременным космическим снимкам на основе вейвлет-анализа;
методика получения коэффициентов преобразования Tasseled Сар для снимков FORMOSAT-2.
Научная новизна результатов исследования. Научная новизна заключается в следующем:
- разработаны новые методики автоматизированного дешифрирования
космических снимков высокого разрешения на основе комплексного исполь
зования спектральных и структурных признаков;
рассчитаны коэффициенты преобразования Tasseled Сар для снимков FORMOSAT-2 по фрагментам изображений;
усовершенствована методика выявления изменений на основе вейвлет-анализа, что обеспечило повышение точности выделения изменений и позволило определить площадь этих изменений;
разработана методика автоматизированного выделения изменений границы лесной территории по разновременным космическим снимкам на основе вейвлет-анализа, в рамках которой был предложен новый способ генерализации лесной территории в соответствии с тематической картой.
Научная и практическая значимость работы. Практическая ценность заключается в следующем:
полученные коэффициенты преобразования Tasseled Сар позволяют ускорить обработку снимков;
разработанная методика применения вейвлет-преобразования позволяет локализовать изменения.
Практическая значимость заключается в том, что предложенные методики были использованы для классификации территории Молчановского района Томской области по типам растительного покрова, для выявления мест рубок, а также для определения направления смещения северной границы леса в центре Мурманской области.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по соответствующим позициям:
№ 4 - «Теория и технология дешифрирования изображений с целью исследования природных ресурсов и картографирования объектов исследований»;
№ 5 - «Теория и технология получения количественных характеристик динамики природных и техногенных процессов с целью их прогноза».
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на VI Международном
научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2010», 19-23 апреля 2010 г., г. Новосибирск; на международном студенческом форуме «ГЕОМИР - 3S 2010», 21-25 сентября 2010 г., г. Новосибирск; VII Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2011», 27-29 апреля 2011 г., г. Новосибирск; на Международном студенческом форуме «ГЕОМИР — 3S 2011», 9-13 октября 2011 г., г. Ухань.
Разработанные методики были использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме: «Разработка методологии аэрокосмического мониторинга природных и антропогенных объектов на региональном уровне». Номер государственной регистрации НИР: 01 2007.03297.
Основные результаты диссертационной работы использованы в филиале ФГУП «Рослесинфорг» «Запсиблеспроект», внедрены в учебный процесс СГГА и используются при изучении специальных дисциплин студентами специальностей «Аэрофотогеодезия» и «Исследование природных ресурсов аэрокосмическими средствами», а также студентами профиля «Аэрокосмические съемки, фотограмметрия» направления «Геодезия и дистанционное зондирование».
Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы отражено в 6 опубликованных статьях, из которых 2 статьи изданы в рецензируемых журналах, входящих в Перечень рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников, содержащего 117 наименований, и 10 приложений. Общий объем составляет 172 страницы печатного текста, работа содержит 42 рисунка, 13 таблиц.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 012-2011 «Докторская, кандидатская диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления».
Похожие диссертации на Разработка методик автоматизированного дешифрирования многозональных космических снимков высокого разрешения для мониторинга природно-территориальных комплексов
