Введение к работе
з
Актуальность исследования
В настоящее время дистанционное зондирование земной поверхности является одной из важнейших проблем, решаемых с помощью космических летательных аппаратов. Дистанционное зондирование (ДЗ) проводится с целью сбора данных ареального или планетарного масштаба для научных или прикладных целей. В системе мониторинга земной поверхности данные дистанционного зондирования с самолетов и космических аппаратов являются эффективным инструментом как для быстрого обновления картографических материалов и создания актуальной пространственной основы для привязки материалов мониторинга, так и непосредственно для решения задач разведки, охраны природы, экологического мониторинга, выявления и учета антропогенного влияния, аномальных явлений, оценки состояния земель и их использования для земельного кадастра, землеустройства, контроля за использованием земель и т.д..
Возможности применения космической информации, позволяющей проводить обследования больших территорий в оперативном режиме, существенно расширились в последние годы, когда широкому кругу потребителей стали доступны спутниковые данные с пространственным разрешением до 1 м -70 см (Ikonos, QuickBird), сделавшие возможным переход к крупномасштабным съемкам на больших площадях, составив тем самым конкуренцию материалам аэрофотосъемки. Новые возможности открывает запуск в сентябре 2007 г. спутника WorldView-І, обеспечивающего съемку с разрешением менее 50 см, что позволяет получать более крупномасштабную и детализированную информацию. К преимуществам космической съемки следует отнести возможность регулярной съемки с высокой периодичностью одних и тех же участков, что позволяет вести мониторинг территорий, например, участков с интенсивными изменениями в использовании земель, территорий с сильным развитием негативных процессов и др., и синхронное получение одновременно с панхроматической съемкой данных многозональной съемки в различных спектральных диапазонах.
Интенсивное развитие средств цифровой обработки, передачи и хранения информации находит все большее применение в цикле съема и обработки данных дистанционного зондирования Земли. Это определяет необходимость разработки и внедрения новых более быстродействующих и эффективных алгоритмов и программных средств обработки и автоматизированного анализа результатов дистанционного зондирования.
При решении значительной части задач дистанционного зондирования в информационно-измерительных системах используется оперативное наблюдение за состоянием земной поверхности, цель которого - обнаружение резких изменений в структуре наблюдаемых объектов. Такими изменениями могут быть возникновение крупных очагов пожаров, крупномасштабные аварии, загрязнения водоемов, техногенные катастрофы, передислокация наблюдаемых объектов и т.п.. Подобные процессы, приводящие к аномальным изменениям топологии наблюдаемой земной поверхности, фиксируются и могут быть обнаружены на изображениях земной поверхности, полученных средствами дистанционного зондирования.
Поиск изображений, содержащих такую полезную информацию, как топологические изменения и аномалии, является трудоемкой задачей, так как процент таких изображений из значительного объема поступающих снимков невелик. На данный момент для решения этой задачи отбора требуется привлечение большого штата экспертов - операторов, осуществляющих визуальный контроль и поиск информативных фрагментов, а также привлечение значительных технических ресурсов для передачи и хранения большого объема изображений.
До настоящего времени цифровой анализ разновременных изображений с целью выявления и определения на них изменений производится с помощью методов, использующих цветовые и яркостные характеристики изображений. Однако эти характеристики значительно изменяются при вариации условий съемки, например при изменении освещенности, и могут трактоваться как вариация земной поверхности. Поэтому возможности применения этих методов ограничены. На практике такие алгоритмы используются при обработке узкого
5 класса изображений, ограниченного или параметрами снимков или параметрами наблюдаемых объектов.
Автоматизация процесса отбора снимков, содержащих топологические аномалии, а также выделение на этих изображениях областей интереса, содержащих изменения, позволит значительно сократить время анализа и обработки, затраты технических и экспертных ресурсов в информационно-измерительных системах и сделать данные оперативного наблюдения более доступными конечным потребителям. В данной работе под областями интереса понимаются информативные фрагменты изображения, т.е. такие, которые содержат необходимую информацию для решаемой задачи анализа изображения и могут быть выделены на изображениях разрабатываемыми методами. В зависимости от поставленной задачи области интереса могут быть двух видов: выделяемые в целях обзорного мониторинга (обзорная разведка, мониторинг землепользования, градостроительства и т.п.) и в целях непосредственного поиска изменений (выявление следов крупномасштабных аварий, изменений на наблюдаемых объектах разведки, мониторинг чрезвычайных ситуаций и т.п.).
Близкие вопросы рассматривались в работах таких авторов как Пытьев Ю.П., Парамонов СВ., Radke R. J., Hord R.M., Jensen J.R.
Таким образом, разработка проблемно-ориентированного математического обеспечения в информационно-измерительных системах обработки данных дистанционного зондирования поверхности Земли является актуальной и ее решению в части оперативного автоматизированного цифрового анализа разновременных изображений с целью поиска областей интереса, выявления и определения на них структурных изменений и посвящается данная диссертационная работа.
Цель исследования
Основной целью настоящей работы является разработка комбинированного метода и алгоритма поиска областей интереса на изображениях в плане разработки и построения проблемно-ориентированного математического обеспечения информационно-измерительных систем обработки данных дистанционного зондирования поверхности Земли.
6 Методы исследования
Теоретические методы исследования основывались на методах цифровой обработки изображений, а именно методах морфологического анализа и анализа фрактальной размерности изображений. Экспериментальная часть исследования базировалась на анализе результатов обработки цифровых синтезированных и реальных изображений с помощью ЭВМ с последующей их численной и визуальной оценкой. Для программной реализации разработанных методов и математического обеспечения использовались методы создания программных систем и язык высокого уровня C++ в рамках среды для быстрой разработки приложений Borland C++ Builder.
Научная новизна полученных результатов
Научная новизна заключается в том, что впервые были предложены и разработаны методы и средства комбинированного многоступенчатого анализа цифровых изображений с целью поиска областей интереса на видеоизображениях земной поверхности. К основным результатам относятся:
Комбинированный метод многоступенчатого поиска областей интереса при комплексном применении методов анализа показателя фрактальной размерности (ПФР) и морфологического анализа;
Метод поиска на изображениях антропогенных фрагментов с помощью анализа ПФР, реализуемый в рамках разработанного комбинированного метода;
Алгоритм объединения комбинируемых методов при создании экспериментального программного обеспечения;
Метод поиска разномасштабных изменений с помощью анализа ПФР.
Практическая значимость полученных результатов
1. Разработанные методы и программное обеспечение позволяют
повысить эффективность программно-технических комплексов оперативной обработки данных дистанционного зондирования поверхности Земли и производительность труда операторов-дешифровщиков. Полученные в ходе работы результаты были использованы в проектно-конструкторской деятельности Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-
7 исследовательский институт точных приборов» (ФГУП НИИ ТП) при выполнении ОКР «Основатель» и были внедрены в организациях-заказчиках.
Разработанные комбинированный метод, библиотека функций и экспериментальное программно-алгоритмическое обеспечение могут быть использованы при создании аналогичных по целевому назначению программных и программно-аппаратных комплексов мониторинга чрезвычайных ситуаций, охраны природы, экологического мониторинга, разведки, землепользования и многих других.
Внедрение разработанных методов и средств комбинированного многоступенчатого анализа цифровых изображений позволят проводить обработку данных дистанционного зондирования с большей эффективностью и меньшими затратами ресурсов, что сократит время на анализ и принятие решения и сделает данные ДЗ более доступными потребителю.
На защиту выносятся следующие положения:
Комбинированный многоступенчатый метод поиска областей интереса на видеоизображениях земной поверхности позволяет значительно сократить количество обрабатываемых изображений, выделять на них области для дальнейшей обработки и сократить пространство поиска не менее чем в 16 раз;
Комбинированный многоступенчатый метод поиска изменений на видеоизображениях при совместном использовании методов анализа показателя фрактальной размерности и морфологического анализа обеспечивает высокую эффективность обнаружения изменений и устойчивость результатов обработки при изменении условий съемки (более 50% по яркости и контрастности);
Метод поиска на видеоизображениях антропогенных объектов, основанный на анализе показателя фрактальной размерности, позволяет решать задачу их обнаружения в автоматизированном режиме;
Метод поиска на видеоизображениях разномасштабных изменений на основе анализа показателя фрактальной размерности повышает эффективность поиска изменений за счет возможности подбора размера области интереса, соизмеримого с размером искомой аномалии.
8 Личный вклад соискателя
Основные результаты и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. Научный руководитель принимал участие в обсуждении цели и задач исследования, а также анализе результатов проведенных экспериментов.
Апробация работы
Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Рязань-2003» (Рязань, 2003 г.), 4-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика-2005» (Москва, 2005 г.), 3-ей Научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» (Москва, 2005 г.), 12-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006 г.).
Результаты диссертационной работы используются при проведении опытно-конструкторских работ по созданию систем обработки данных ДЗЗ в ФГУП «НИИ ТП».
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе три из них в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 160 страницах, состоит из введения (9 стр.), четырех глав (121 стр.), заключения (2 стр.) и библиографического списка и одного приложения.
