Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Программа исследований и основные методические положения 11
1.1 Общая характеристика исследования 11
1.2 Основные термины и определения 12
ГЛАВА 2. Развитие системы экологического мониторинга в России 14
2.1 Методология экологического мониторинга 14
2.2 Создание единой государственной системы экологического мониторинга 19
2.3 Формирование системы мониторинга лесов 25
2.3.1 Лесной мониторинг как подсистема ЕГСЭМ. 25
2.3.2 Лесопожарный мониторинг 26
2.3.3 Лесопатологический мониторинг 27
2.3.4 Мониторинг зон радиоактивного загрязнения 28
2.3.5 Мониторинг лесов по методике ЕЖ ООН (ICP-Forest) 29
2.3.6 Мониторинг состояния земель лесного фонда 29
2.3.7 Организационная структура системы лесного мониторинга 31
2.3.8 Разработка основ дистанционного мониторинга лесов 33
2.4 Задачи комплексного мониторинга лесов 38
ГЛАВА 3. Технические средства аэровидеосъемки и методические принципы обработки видеоматериалов 42
3.1 Современный этап развития видеотехники 42
3.1.1 Форматы видеозаписи 42
3.1.2 Система нелинейного монтажа формата DV. 48
3.1.3 Формат цифровой видеозаписи на ленту 49
3.1.4 Кодирование в цифровой видеозаписи 50
3.1.5 Видеокомпрессия 50
3.2 Видеосъемка лесов в зарубежных странах 52
3.3 Технические характеристики использованной в экспериментах съемочной аппаратуры
3.4 Выбор авиационных носителей для организации видеомониторинга лесов 58
3.5 Методы обработки видеоинформации 63
ГЛАВА 4. Методические аспекты исследований по применению материалов аэровидеосъемки для решения задач дистанционного мониторинга лесов 64
4.1 Видеосъемка как инструмент дистанционного зондирования 64
4.2 Оценка лесовозобновления вырубок на основе аэровидеосъемки с мотодельтаплана 67
4.2.1 Характеристика объекта обследования. Проведение подготовительных и полевых работ 67
4.2.2 Аэровидеосъемка лесовозобновления вырубок 72
4.2.3 Оценка результатов лесовозобновления вырубок по материалам аэровидеосъемки с мотодельтаплана 73
4.3 Определение состояния лесных насаждений, пораженных сибирским шелкопрядом в Красноярском крас, по материалам оперативной видеосъемки 89
4.3.1 Цели и задачи работ 89
4.3.2 Краткая характеристика объекта работ 90
4.3.3 Источники информационных данных 93
4.3.4 Особенности получения аэровидеоинформации 94
4.3.5 Натурные работы 103
4.3.6 Экспертный анализ видеоинформации 106
4.3.7 Результаты эксперимента по тематической компьютерной обработке видеоинформации 107
Глава 5. Изучение возможностей применения аэровидеоинформации и гис-технологий для ведения экологического мониторинга природных комплексов национальных парков 125
5.1 Методы сбора и обработки данных аэровидеосъемки для решения задач экологического мониторинга 126
5.1.1 Выполнение аэровидеосъемки природных комплексов НП «Куршская коса» 127
5.1.2 Методы сбора наземных данных 131
5.2 Основные направления экологического мониторинга лесных комплексов НП «Куршская коса» 134
5.3 Методические особенности использования материалов видео съемки для включения в ГИС и ведения мониторинга природных комплексов 137
5.3.1 Обработка видеоматериалов и наземных данных для ведения типовых и специальных видов мониторинга 137
5.4 Формирование экспериментальной ГИС
НП «Куршская коса» 153
5.4.1 Структура ГИС 154
5.4.2 Особенности формирования ГИС в программе Maplnfo 162
Заключение 167
Список использованной литературы
- Основные термины и определения
- Формирование системы мониторинга лесов
- Формат цифровой видеозаписи на ленту
- Характеристика объекта обследования. Проведение подготовительных и полевых работ
Введение к работе
Для изучения использования, охраны и воспроизводства лесов необходимо создать эффективную систему управления лесными ресурсами, базирующуюся на объективных оценках ресурсных и средообразующих возможностей лесов в различных природно-экономических районах страны. Такие оценки лесных территорий дадут возможность определить объемы допустимого хозяйственного воздействия на лесные экосистемы, не приводящего к их разрушению или потере средообразующих функций.
Для выполнения этих задач требуется обширная, всеобъемлющая информация о лесном фонде, на основе которой должны вырабатываться и приниматься оптимальные решения по многоцелевому использованию лесных ресурсов. Решение этой проблемы возможно при создании научной и технической базы, в основу которой положены методы дистанционного мониторинга.
С начала 70-х годов в нашей стране была развернута комплексная целевая программа научных исследований по разработке методов дистанционного зондирования лесов, направленная на реализацию задач лесной отрасли и охраны природы. Значительная часть работ этого направления проводилась в научно-исследовательской части В/О "Леспроект" (затем во Всероссийском научно-исследовательском и информационном центре по лесным ресурсам (ВНИИЦлес-ресурс), вив настоящее время - во Всероссийском научно-исследовательском институте лесоводства и механизации лесного хозяйства (ВНИИЛМ) и Международном институте леса. Опыт научного и производственного применения материалов дистанционных съемок привел к выводу о необходимости комплексного решения основных задач лесного хозяйства, связанных с изучением лесов, и контроля за их состоянием, в рамках специализированного лесного аэрокосмического мониторинга.
Отдельные задачи мониторинга лесов требует получения дистанционной информации в максимально короткие сроки. Это особенно важно для территорий интенсивного ведения лесного хозяйства, районов стихийных бедствий и экологических нарушений. В настоящее время наибольшей оперативностью получения ин-
формации обладает телевизионная съемка с воздушных носителей. Более детальная информация об изменениях в лесном фонде, но с меньшей оперативностью может быть получена при применении крупномасштабной аэрофотосъемки.
Актуальность темы определяется необходимостью скорейшей разработки и внедрения в практику мониторинга лесов новых эффективных методов, средств получения и обработки информации о состоянии лесов, способствующей повышению оперативности и объективности получаемых сведений, своевременному выбору и назначению эффективных мероприятий. Наиболее отвечают этим требованиям современные дистанционные средства, и, прежде всего — аэровидеосъемка, характеризующаяся наибольшей оперативностью получения информации.
Особое значение имеет цифровая аэровидеосъемка, обладающая рядом несомненных достоинств, среди которых - получение изображений, обладающих хорошей разрешающей способностью, готовых для компьютерной обработки и последующего использования с целью создания географических информационных систем (ГИС) с дистанционными потоками информации.
Актуальны новые тенденции в прикладном использовании таких информационных технологий, связанные с интеграцией, сочетанием различных методов сбора, обработки, хранения, обновления, интерпретации и представления данных с целью изучения ресурсного и экологического потенциала лесов.
Цели и задачи исследования. Цели исследований заключались в разработке и апробации метода оперативной аэровидеосъемки для решения различных задач мониторинга лесов. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Анализ современной структуры сбора информации в системе экологического мониторинга в России.
Анализ современных технических средств и методов сбора дистанционной информации о состоянии лесных экосистем.
Обоснование и разработка методики и технологии аналоговой и цифровой аэровидеосъемок и результатов их интерпретации для решения отдельных задач мониторинга лесов: оценки состояния лесовосстановления на вырубках; оценки состояния насаждений, поврежденных энтомовредителями.
Исследование особенностей обработки и использования материалов аналоговой и цифровой аэровидеосъемок в среде географических информационных систем (ГИС).
Разработка методических принципов организации экологического мониторинга природных комплексов национальных парков на основе данных аэровидеосъемки и ГИС-технологий (на примере национального парка «Курш-ская коса»).
Определение места аэровидеосъемки в системе дистанционного мониторинга лесов.
Научная новизна результатов исследований. Впервые проведены комплексные исследования по получению и применению материалов аэровидеосъемки для решения задач мониторинга лесов. Обоснованы и разработаны методические рекомендации по использованию оперативной телевизионной съемки в сочетании с крупномасштабной аэрофотосъемкой для информационного обеспечения мониторинга лесов.
Определены технологические особенности и проведены экспериментальные работы по автоматизированной интерпретации материалов аналоговой и цифровой аэровидеосъемок. Разработаны методические подходы к использованию материалов телевизионной съемки в среде ГИС. Разработана структура и созданы специальные базы пространственных и атрибутивных данных географической информационной системы экологического мониторинга природных комплексов национального парка "Куршская коса" на основе данных аэровидеосъемки.
Практическая ценность работы. Материалы и результаты настоящего исследования использованы при разработке ряда научных тем ВНИИЦлесресурс и подготовке методических документов Министерства природных ресурсов РФ («Наставление по организации и ведению лесопатологического мониторинга»). Разработаны методические «Рекомендации по использованию оперативной телевизионной съемки в сочетании с крупномасштабной аэрофотосъемкой для информационного обеспечения мониторинга лесов».
Предложены новые методические подходы к оценке состояния темнохвойных насаждений, поврежденных сибирским шелкопрядом в Красноярском крае на
основе данных оперативной аналоговой аэровидеосъемки, созданы пространственные и атрибутивные базы дистанционных данных в структуре ГИС лесопато-логического мониторинга в рамках пилотного проекта Всемирного банка в 1996-1997 гг.
Разработаны методические положения ведения экологического мониторинга природных комплексов национальных парков на основе данных аэровидеосъемки и ГИС-технологий.
Разработана и внедрена географическая информационная система мониторинга природных комплексов национального парка «Куршская коса» на основе
Апробация работы. Основные результаты работы были освещены автором на Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов, (Москва, 1990 г.), 5-ой научной конференции по тематической картографии (Иркутск, 1993 г.), Всероссийских научно-технической конференциях "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (1994), Международной конференции Интеркарто-2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды (Иркутск, 1994 г.), VII конференции Международной ассоциации исследователей бореальных лесов (СПб, 1996 г.), научно-практической конференции "Современное состояние и перспективы развития геодезии, фототопографии, картографии и геинформационных систем" (Москва, 1997 г.), II Всероссийском совещании "Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве", (Москва, 1998 г.), Международной научной конференции "Изучение и охрана биологического разнообразия ландшафтов Русской равнины" (Пенза, 1999 г.), Всероссийском совещании "Экологический мониторинг лесных экосистем" (Петрозаводск, 1999 г.), Четвертой, Пятой и Шестой Всерооссийской конференции "Экологические проблемы сохранения исторического и культурного наследия" (Москва, 1999 г., 2000 г., 2001 г.), III Всероссийской конференции "Аэрокосмические методы и геоинформационные системы в лесоведении и лесном хозяйстве" (Москва, 2002 г.). Основные положения работы опубликованы в 26 научных статьях.
Результаты исследований используются автором при чтении лекций и ведении практических занятий по курсам «Информационые технологии в природо-
пользовании» во Всероссийском институте повышения квалификации руководящих работников и специалистов лесного хозяйства и «Аэрокосмические методы в лесном хозяйстве» в Московском государственном университете леса.
Личный вклад автора состоит в разработке программы и методики исследований по теме диссертации. Все научные исследования по теме диссертации, летно-съемочные, полевые экспериментальных работы, обработка видеоматериалов, создание баз данных ГИС с потоками аэровидеоинформации, комплексный анализ результатов выполнены при непосредственном участии автора.
В работе представлены результаты научно-исследовательских и опытно-производственных работ автора, выполненных с 1982 по 1989 гг. в Московской аэрокосмической лесоустроительной экспедиции ВО «Леспроект», с 1989 по 2001 гг. - во Всероссийском научно-исследовательском и информационном центре по лесным ресурсам (ВНИИЦлесресурс) по темам НИР: «Разработать рекомендации по использованию оперативной телевизионной съемки в сочетании с крупномасштабной аэрофотосъемкой для информационного обеспечения мониторинга лесов», «Разработать методы ведения экологического мониторинга территорий национальных парков с использованием аэрокосмических средств и ГИС-технологий» (УДК № гос. регистрации 01.99.0010458). Исследования по теме диссертации выполнены в соответствии с тематическим планом кафедры лесоустройства и охраны леса Московского государственного университета леса (МГУлеса).
Основные положения, выносимые на защиту:
Технические особенности получения аэровидеоинформации с помощью аналоговых и цифровых камер.
Методические принципы обработки аэровидеоматериалов.
Методология использования материалов аэровидеосъемки для оценки состояния лесовосстановления на вырубках.
Методические основы применения аэровидеоинформации для решения задач оценки состояния насаждений, поврежденных энтомовредителями (на примере сибирского шелкопряда).
Принципы использования аэровидеоинформации и ГИС-технологий в системе экологического мониторинга природных комплексов национальных парков (на примере НП «Куршская коса»).
Базовые рекомендации по применению аэровидеоинформации в структуре дистанционного мониторинга лесов.
Автор выражает искреннюю благодарность руководителю диссертационной
работы профессору, д.с.-х. наук Свалову Н.Н,
иницировавшему отдельные на-
правления исследования, особую благодарность — научному консультанту, зам. директора ВНИИЛМ, профессору, д.с.-х.. наук Филипчуку А.Н. и зав. сектором видеомониторинга отдела дистанционных методов ВНИИЛМ Орловой О.Л., осуществлявшей методическое руководство при проведении диссертационных исследований; главному специалисту ВНИИЛМ Колокольцеву А.Е., зав. отделом дистанционных методов ВНИИЛМ к.г.н. Малышевой Н.В., декану лесного факультета МГУлеса, заведующему кафедрой лесоустройства и охраны леса, профессору, д.с.-х. наук Харину О.А., профессору кафедры лесоустройства и охраны леса МГУлеса, к.с.-х. наук Анисочкину В.Г., зам. директора МИЛ, д.с.-х. В.И. Сухих, зав. сектором ЦЭПЛ РАН д.с.-х. В.М. Жирину, главному специалисту отдела лесоустройства Министерства природных ресурсов РФ к.с.-х. Артамонову СИ., с.н.с. отдела дистанционных методов ВНИИЛМ Князевой СВ., с.н.с. отдела дистанционных методов ВНИИЛМ Золиной Т.А. за помощь в проведении исследований и работе над диссертацией.
Основные термины и определения
В различных видах научной и практической деятельности человека издавна применяется способ познания, основанный на длительном, целенаправленном и планомерном восприятии предметов и явлений окружающей действительности. Блестящие образцы организации наблюдений за природной средой описаны еще в первом веке нашей эры в "Естественной истории" Гая Секунда Плиния (старшего). Тридцать семь томов, содержавших сведения по астрономии, физике, географии, зоологии, ботанике, сельскому хозяйству, медицине, истории, служили наиболее полной энциклопедией знаний до эпохи средневековья.
Позднее, уже в XX веке, в науке возник термин мониторинг для определения системы повторных целенаправленных наблюдений за одним или более элементами окружающей природной среды в пространстве и времени.
В последние десятилетия общество все шире использует в своей деятельности сведения о состоянии природной среды. Эта информация нужна в повседневной жизни людей, при ведении хозяйства, в строительстве, при чрезвычайных обстоятельствах для оповещения о надвигающихся опасных явлениях природы. Но изменения в состоянии окружающей среды происходят и под воздействием биосферных процессов, связанных с деятельностью человека.
В конце XX века, породившего невиданный ранее научно-технический прогресс и экономический рост во многих странах, как расплата за это сформировался устойчивый экологический кризис, характерный наличием не только локальных, но и общеизвестных глобальных экологических проблем, ставящих под угрозу дальнейшее развитие цивилизации.
Причина очевидна — для успешной реализации экологической политики и эффективного экологического управления в сложившихся условиях всем нужна достоверная, максимально полная и своевременная информация о наличии и состоянии природных ресурсов, о качестве окружающей среды (ОС) и ее загрязне ний, а также о причинах и последствиях все чаще возникающих неблагоприятных, а то и чрезвычайных экологических ситуаций или даже экологических бедствий. Экологический мониторинг как раз и является средством для получения, обработки, хранения и отображения (передачи) такой информации, являющейся основой для прогнозов и, в конечном итоге, для выработки экологически безопасных и экономически эффективных решений.
Таким образом, в охране окружающей среды и экологическом управлении важная роль отводится формированию системы экологического мониторинга. Само понятие Мониторинг" сегодня в мировом сообществе рассматривается как система наблюдений за состоянием объекта изучения, отражения динамики происходящих в нем изменений и прогноза развития ситуаций [4 ].
Определение мониторинга в широком понимании было сформулировано Секретариатом программы по охране окружающей среды ООН (UNEP) в начале семидесятых годов. Мониторинг - система повторных наблюдений элементов окружающей среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленными программами. И.П. Герасимов [4] характеризует мониторинг как систему наблюдения, контроля и управления состоянием окружающей среды, осуществляемую в различных масштабах, в том числе, в глобальном. Данный автор выделяет два блока мониторинга. Первый - биологический мониторинг, в задачу которого входит наблюдение за влиянием среды на состояние и здоровье людей. Второй - геоэкологический мониторинг, заключающийся в наблюдении за изменением природных экосистем, составляющих окружающую среду, и преобразованием их в природотехнические. Необходимость геоэкологического мониторинга вызвана тем, что он выявляет генезис и взаимосвязь индикаторов биоэкологического мониторинга, углубляет содержание последнего, позволяя предусмотреть стихийные изменения среды, и расширяет его границы, включая в свой предмет естественные ресурсы, используемые человеком.
Ю.А.Израэль утверждает, что мониторинг - это информационная система для обнаружения антропогенных изменений окружающей среды на фоне ее естественных колебаний. В задачи такой системы входят, во-первых, слежение за фактора ми воздействия на среду, ее состоянием и изменениями, во-вторых, прогноз состояния биосферы и, в-третьих, оценка изменений этого состояния и его тенденций. Мониторинг должен отвечать на вопросы о причинах возможных нарушений среды, о нежелательности или, наоборот, допустимости тех или иных изменений природы, нормах нагрузки на нее [26].
Рассматривать мониторинг только как информационную систему не совсем верно, т.к. при таком подходе принижается роль мониторинга, его значение для охраны живой природы и восстановления нарушенной устойчивости экосистем. В этом плане понятие мониторинга более полно раскрыто Б.В.Виноградовым и А.М.Берлянтом.
Б.В.Виноградов [6] определяет экологический мониторинг как систему наблюдения за состоянием экосистем, регистрации их современной структуры, контроля их динамики, прогноза их изменений, управления и оптимизации.
А.М.Берлянт [8] считает, что мониторинг окружающей среды - это система оперативного сложения и контроля за средой или отдельными ее компонентами с целью управления ими. Мониторинг предполагает наблюдение за состоянием объекта, его оценку, прогноз развития во времени и в пространстве, а также разработку системы мероприятий по управлению им (например, по практическому использованию благоприятных факторов среды или для предотвращения ее разрушения).
Основным средством осуществления мониторинга Б.В.Виноградов [6] считает систему аэрокосмических съемок, опирающуюся на сеть наземных наблюдений. А.М.Берлянт [8] дополняет, что эффективная система мониторинга окружающей среды может быть осуществлена только при самой широкой опоре на тематические карты и атласы, на автоматизированные методы их создания и использования, на фонды картографической информации. А.С.Исаев и В.И.Сухих [6] включают в техническую базу мониторинга данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) и информационные технологии их обработки.
Формирование системы мониторинга лесов
Информацию о состоянии лесов позволяет получать разрабатываемая система лесного мониторинга (ЛМ).
В статье 69 Лесного кодекса Российской Федерации [42] дано следующее определение мониторинга лесов: "Мониторинг лесов представляет собой систему наблюдений, оценки и прогноза состояния и динамики лесного фонда в целях государственного управления в области использования, охраны и защиты лесного фонда и воспроизводства лесов и повышения их экологических функций ".
Работы по обоснованию и созданию системы ЛМ ведутся в России с начала 1970-х годов. За эти годы разработаны основные концептуальные положения, методическая основа, организационная структура ведения отдельных видов ЛМ. Отдельные блоки системы внедрены в производство и успешно функционируют. Однако системный подход, заложенный в основу концепции мониторинга лесов, не реализован до настоящего времени. В соответствии с «Положением о лесном мониторинге» [65], в зависимости от видов воздействий на земли лесного фонда, выделяются основные блоки системы лесного мониторинга: лесопожарный; лесопатологический; состояния лесов в зонах радиационного заражения, техногенного загрязнения; состояния лесов в рамках международной совместной программы ICP-Forest; состояния и использования земель лесного фонда [80].
Система ЛМ создавалась с таким расчетом, чтобы информация охватывала все виды воздействия на леса. Основными видами воздействия являются: лесные пожары. Ежегодно в лесном фонде и в лесах, не входящих в лесной фонд, возникает до 30 тыс. лесных пожаров. В среднем площадь, пройденная огнем, составляет около 1 млн га; а рубки леса. В лесах России проводятся рубки главного пользования, рубки ухода за лесом, реконструктивные, обновительные, санитарные и прочие, в процессе которых заготавливается около 150 млн м3 древесины.
Общая площадь, пройденная различными видами рубок, превышает 0.5 млн га;
а лесовосстановление и лесоразведение. На вырубках и гарях, суммарная площадь которых по официальной статистике - более 30 млн га, идет процесс лесовосстановления, который в северных районах затягивается на десятки лет;
а изменение санитарного состояния лесов под воздействием биотических и абиотических факторов. Насекомые-вредители и болезни леса являются причиной ухудшения санитарного состояния и даже гибели насаждений на значительных площадях, исчисляемых сотнями тысяч гектаров;
техногенные воздействия и строительство промышленных и гражданских объектов. В процентном отношении к площади лесного фонда эти земли занимают незначительную территорию. Но они имеют особое значение, так как расположены вблизи крупных городов, как правило, в местах отдыха населения;
а радиационное загрязнение лесов. Вследствие аварии на Чернобыльской АЭС, а также других аварий и испытаний ядерного оружия земли лесного фонда загрязнены в разной степени радионуклидами на площади около 3 млн га;
а изменение гидрологического режима территорий лесного фонда. В результате строительства гидросооружений для осушения земель, а также строительства нефтегазового комплекса, деятельности лесозаготовительных организаций, расширения транспортной сети, прокладки линий связи и электропередач отмечается изменение гидрологического режима в ряде регионов.
Лесопожарный мониторинг является частью системы информационного обеспечения службы охраны лесов от пожаров и обеспечивает слежение за возникновением пожаров, регистрацию их последствий, анализ данных и прогнози рование пожарной опасности. Ведение лесопожарного мониторинга осуществляется подразделениями ФГУ "Авиалесоохрана". Этот блок лесного мониторинга получил наибольшее развитие. Создана специальная система, позволяющая постоянно, в режиме реального времени, работать со спутниковыми данными и результатами их обработки. Она обеспечивает интеграцию информации, полученной в результате обработки спутниковых данных, с целью принятия решений службами охраны лесов от пожаров МПР России. Основные задачи, решаемые с помощью этой системы: получение спутниковых данных; оперативная обработка данных и представление их лесопользователям; интеграция результатов обработки спутниковых данных с информацией, полученной из других источников.
Оперативная информация о лесопожарной обстановке в России размещается на сайте Центральной базы авиационной охраны лесов, регулярно обновляется и доступна для всех пользователей Интернет [80].
Лесопатологический мониторинг заключается в оперативном слежении за ле-сопатологическим состоянием лесов - нарушением их устойчивости, численностью, распространением и масштабами повреждения лесов вредными насекомыми, возбудителями болезней и другими природными и антропогенными факторами ослабления и гибели лесов, за динамикой этих процессов. На основании информации о динамике этих процессов обеспечивается выявление патологических изменений состояния насаждений, оценка и прогноз развития ситуаций, необходимые для своевременного принятия решений по лесозащитным и другим лесо-хозяйственным мероприятиям. Это направление лесного мониторинга обеспечивает качественную оценку текущих изменений лесопатологического состояния лесов [52].
Формат цифровой видеозаписи на ленту
Сам факт преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и использование двоичного сигнала в качестве носителя информации еще не гарантирует высокого качества записи. Для его достижения надо разрешить многие проблемы. Например, полоса частот цифровых сигналов значительно больше полосы аналоговых. При записи телевизионного сигнала в цифровой форме требуются системы с пропускной способностью до сотен мегабит в секунду. Использование систем, не вносящих ошибки в цифровой поток и обладающих столь большой пропускной способностью, может оказаться невозможным или экономически неэффективным. При плотностях записи информации, которые приходится использовать в цифровых видеомагнитофонах при расходе ленты, сравнимом с расходом в аналоговых аппаратах, ошибки просто неизбежны.
Принципиальный способ решения проблем передачи и записи с высокой степенью помехозащищенности известен - это кодирование. К системам кодирования в цифровой видеотехнике предъявляются весьма многочисленные и часто противоречивые требования. Поэтому используется несколько видов кодирования: кодирование источника, имеющее целью преобразование телевизионного видеосигнала в цифровую форму и его экономное представление путем видеокомпрессии; кодирование с целью обнаружения и исправления ошибок; канальное кодирование с целью согласования параметров цифрового сигнала со свойствами канала связи и обеспечение самосинхронизации.
Скорости передачи видеоданных в цифровых потоках достаточно велики: 177 Мбит/с, 270 Мбит/с, 540 Мбит/с. Это рождает много проблем при передаче видеоданных по каналам связи и при записи. Цель видеокомпрессии - более компактное представление изображений.
В первых методах видеокомпрессии, разработанных для телевидения, избыточность сокращалась за счет применения кодов переменной длины к элемен там изображения и их комбинациям. Это были метод поэлементного статистического кодирования (учет различия в вероятностях уровней видеосигнала), метод кодирования с учетом предшествующего элемента, метод кодирования длин серий. При доступных аппаратных ресурсах эти методы позволяли добиться лишь небольшой степени видеокомпрессии.
В современных системах компрессии они также используются, но в сочетании с методами ортогональных преобразований . Стандарты компрессии
Стандарт JPEG (Joint Photographic Expert Group) был разработан для видеокомпрессии в системах компьютерной обработки изображений для кодера JPEG может быть сканируемая фотография или видеокадр. Кодеры JPEG устраняют только пространственную и психофизическую избыточность. Основные компоненты процесса JPEG - это дискретное косинусное преобразование, квантование, кодирование с переменной длиной слова. Кодеры, разработанные для компрессии видеоданных, могут использовать JPEG при независимом кодировании последовательности кадров. Такой способ называется Motion JPEG, причем кодированию могут подвергаться или поля, или кадры телевизионного изображения.
Цветные изображения могут быть представлены в разных компонентных форматах, например, RGB (красный, зеленый и синий компоненты), Y/Cr/Cb (яр-костная и цветоразностные компоненты), CMYK (голубой, пурпурный, желтый, черный компонеты).
Кодирование JPEG сочетается с различными структурами дискретизации. Длина кодовых слоев входных изображений кодера в типичном случае составляет 8 битов, но может быть расширена до 12. Элементы JPEG при дискретизации 4:2:0 и 4:1:1 используются в системе видеозаписи DVC.
MPEG (Moving Picture Expert Group) - общее название стандартов, определяющих компрессию последовательностей динамических изображений для различных областей применения. Искажения и артефакты видеокомпрессии
Видеокомпрессия часто может дополняться изменением формата представления изображения, например, уменьшением частоты дискретизации и числа уровней квантования компонентов изображения. Это приводит к уменьшению разрешения и возрастанию шумов квантования. В результате применения видеокомпрессии устраняется не только избыточность, обусловленная статистикой изображения, но и психофизическая избыточность, что связано с необратимыми преобразованиями изображения. Эти преобразования обычно не заметны глазу при сравнительно малых степенях компрессии, но при больших степенях сжатия они приводят к появлению артефактов - различного рода посторонних узоров и муаров на изображении, которые по своему проявлению значительно отличаются от искажений, типичных для аналогового видео. Артефакты прежде всего зависят от алгоритма компрессии. При одном и том же алгоритме компрессии количество и заметность артефактов пропорциональны степени компрессии, хотя эта зависимость и не является линейной. Артефакты сильно коррелированы с изображением. Они наиболее заметны, если изображения содержат мелкие детали, фрагменты с быстрым или сложным движением. Их появлению способствуют быстрые смены сюжета, панорамирование и трансфокация. Появления артефактов весьма многообразны.
Кодирование, обнаруживающее и исправляющее ошибки
Кодирование, позволяющее бороться с ошибками, достигло высшего для телевидения и видеотехники уровня в цифровой видеозаписи. Цифровая видеозапись предъявляет к системе кодирования специфические требования. Система кодирования должна исправлять как случайные ошибки, так и пакетные ошибки длиной до десятков тысяч символов, обусловленные выпадениями. Проблема решается за счет использования кодов-произведений.
Характеристика объекта обследования. Проведение подготовительных и полевых работ
Для оценки возможностей интерпретации объектов разной степени повреждения был проведен анализ полученных видеоматериалов и эксперимент по автоматизированной обработке оцифрованных видеоинформации.
Материалы видеосъемки в камеральных условиях были визуально проанализированы экспертами (в том числе и автор данной работы), имеющими опыт дешифрирования аэрокосмических снимков, а также выполнения наземных обследований поврежденных насаждений. Это исследование выполнялось при просмотре видеокадров в динамике и в режиме стоп-кадра в мелком и крупном масштабах.
Одним из основных положений видеомониторинга является то, что аэровидеоинформация, полученная с одной высоты полета носителя, но при разных фокусных расстояниях объектива камеры, обеспечивает две ступени детальности наблюдений: обзорную (при минимальном фокусном расстоянии), позволяющую оценивать состояние участков насаждений, и детальную (при максимальном фокусном расстоянии), позволяющую оценивать состояние кроны каждого дерева.
Предварительная экспертная оценка лесопатологического состояния тестовых участков была проведена по следующей методике. По мелкомасштабным видеоизображениям мы оценивали возможность обнаружения насаждений разной степени повреждения (в слабой степени - до 25 % поврежденных деревьев в пологе, в средней степени - от 25 до 50, в сильной степени - от 50 до 75, в сплошной степени - свыше 75 % поврежденных деревьев в пологе насаждения). По крупномасштабным видеоизображениям в качестве объектов исследования выбраны кроны отдельных деревьев разных пород, дифференцированные по ле-сопатологическому состоянию (слабая степень повреждения - до 25 % кроны дерева повреждено, средняя степень - от 25 до 50, сильная степень - от 50 до 75, сплошная степень - свыше 75 % кроны дерева повреждено).
С учетом особенностей осеннего аспекта съемки определение породного состава было основано на использовании как цветовых сочетаний, так и форм крон разных пород в плановом и перспективном вариантах видеосъемки. Полностью поврежденные пихтовые деревья отличались характерным серовато-коричневым цветом; частично поврежденные - сочетанием зеленого и серо-коричневого цветов; здоровые деревья сосны, ели и кедра имели темно-зеленый цвет; осины в данный период находились в безлистном состоянии и характеризовались устойчивым серым цветом и четкой структурой кроны. Листья с берез в момент съемки частично облетели, в связи с чем березовые насаждения с листвой отличались желтовато-бурым оттенком, без листвы - серовато-бурым оттенком. Устойчивые признаки дешифрирования - у лиственницы, эта порода характеризовалась ярко-желтым цветом, резко выделяясь на фоне чистых и смешанных насаждений.
Проведенные исследования свидетельствуют о наличии устойчивых признаков дешифрирования по видеоматериалам как отдельных пород деревьев, так и дифференциации их по степени повреждения. Имеется принципиальная возможность оценки состояния участков насаждений, поврежденных в разной степени.
Результаты эксперимента по тематической компьютерной обработке видеоинформации
Полученный в процессе аэросъемки видеоматериал (в количестве 112 кадров) был введен в компьютер в оцифрованном виде с помощью видеоплаты типа miro VIDEO DC 30. Данная видеоплата позволяет работать с видеоинформацией как в покадровом виде, так и в реальном времени, т.е. с "живым видео". Эта функция выполняется за счет IPEG Video Compressor и записи информации на жесткий диск компьютера. Запись производится через S-VHS штекер. Сигнал записывается в 4:2:2 YUV стандарте с передачей 16.7 миллионов цветов, 768x576 pixels в полном формате PAL сигнала 25 кадров в секунду. При записи возможна коррекция яркости, контрастности и цветности, а также фильтрация изображения, что очень важно для дальнейшего дешифрирования видеоинформации в интерактивном режиме на персональном компьютере.
На данном этапе работ нам необходимо было выбрать компьютерную программу, которую целесообразно использовать для обработки видеоизображений. С этой целью мы выполнили тестирование нескольких программ: MIPS, ERDAS, CADdy, GRASS, IDRISI, TOPOL. Выбор программы определялся, с одной стороны, наличием необходимых для обработки видеоинформации функций и их сервисной простотой, с другой стороны, оптимальным соотношение показателей цена/производительность, что важно для пользователей в лесном хозяйстве.
Для выполнения эксперимента по обработке видеоинформации была выбрана программа TOPOL, позволяющая работать с данными как в векторном, так и в растровом формах (данное программное обеспечение разработано в Чехии и широко используется там при проведении лесоустроительных работ). Из возможных конфигураций системы TOPOL нами использовался вариант TOPOL Remote Sensing, позволяющий работать с материалами дистанционного зондирования, включая оцифрованную видеоинформацию, а также с разнообразными картографическими, геодезическими и статистическими данными.
В качестве экспериментального объекта был выбран квартал 37 Тасеевского лесничества, на который в процессе полевых исследований был собраны натурные данные. Топографическую основу для привязки видеоинформации составили растровые сканированные изображения топографических карт масштаба 1:100 000. Растровое изображение фрагментов топографических карт были импортированы в TOPOL. В связи с тем, что экспериментальный объект находился на участке, расположенном на стыке двух топокарт, был выполнен монтаж двух фрагментов топокарт с использованием генерируемой программой TOPOL километровой сетки. На следующем этапе проведена оцифровка с помощью дигитайзера (планшетного цифрователя) Benson 6201 плановой лесоустроительной информации - планшетов масштаба 1 : 25 000. Работы были выполнены с помощью программы VECTEDIT, разработанной во ВНИИЦлесресурс.
