Введение к работе
-Методы компьютерного анализа и синтеза геоизображений ігриродно-антропогенньгх
:итуаиий получают псе большее распространение при решении научных, производственных и социально-экономических задач. Это связано с тенденцией компьютеризации об-цества, развитием в последние 5-7 лет геоинформационных систем (ГИС) и внедрением ювых видов цифровых материалов на основе данных дистанционного зондирования іемли (ДЦЗЗ) для решения экологических, медицинских, географических и других проїдем.
Процесс визуально-количественного дешифрирования ДЦЗЗ представляет- последовательность отображений и преобразований изображений в виде предварительной обработ-си, сегментации, классификации, интерпретации и представления результатов пользователю, которые обеспечиваются соответствующими программными средствами
Направления решения проблемы. В Иркутском научном центре проблемы анализа еоизображеннй начинали решаться в Сибирском энергетическом институте СО РАН на >азе БЭСМ-6. Большое влияние на развитие методов автоматизированной обработки гео-«ображений оказали работы, проводимые на Еіьічислительном Центре СО РАН, где был ;озданы методы, программы и аппаратный комплекс обработки аэрокосмоизображений. Эти методы продолжают развиваться на новой инструментальной и программной основе IBM и ГИС-технологий в ОИГГГМ СО РАН, ИВТ СО РАН и др. Они получили продол-кение при создании единой информационной сети на основе ГИС-центра ИДСТУ СО ''АН, позволяющей получать спутниковые данные NOAA с сервера приемной станции ІСЗФ СО РАН, а также при обработке геоизображений с использованием ГИС-гехнологий в Институте географии СО РАН [22]. Отдельные задачи по анализу изобра-кений решаются в Институте космических исследований РАН. Работы но распознаванию )бразов ведутся в Институте математики и механики УО РАН. Активно разрабатываются ірограммньїе средства ГИС в основном векторного типа в Институте географии РАН, тодразделениях Роскартографии и других организациях. Несмотря на то, что при реали-іации ГИС-проектов все шире используются разнообразные пакеты программ для анализа тистанционных данных (ERDAS IMAGINE, ldiisi, MGE и т.п.), слабым звеном процесса іешифрирования остаются процедуры сегментации и содержательной интерпретации их результатов. Теоретическое развитие эти проблемы получили в новой науке - геоиконике, ) также в работах, посвященных методам полисистемного расслоения
Актуальное пи, теоретических и прикладных исследований в области автоматизации кшифрирования данных дистанционного зондирования Земли и создания ГИС-гехнологий определяется:
необходимостью оперативной обработки геоизображений при решении широкого круга жолого-геоірафических задач,
потребностью в проведении вычислительных экспериментов с использованием гео-изображений:
несовершенством методов получения знаний из г еоизображеннй; необходимостью решения задач оценки территорий по дистанционным данным дня рационального использования природных ресурсов; отсутствием объединяющей технологии, позволяющей использовать различные пакеты программ обработки изображений для решения эколого-географических задач.
Цель диссертационной работы - системная реализация принципов расслоения и преобразования геоизображений, разработка технологии, методов, алгоритмического и программного обеспечения анализа и синтеза геоизображений, представленных данными дистанционного зондирования Земли, для решения эколого-географических задач.
Предмет исследования. Разрабатываются алгоритмы, программные средства и конвейерная технология визуально-количественного анализа и синтеза геоизображений, что обеспечивает 1) визуальную оценку качества дешифрирования снимков, 2) количественную обработку результатов измерений характеристик геоизображений и 3) проведение вьиислительных экспериментов с использованием геоизображений. Итогом этой работы явился комплекс программ ВОРС - «Видео-образо-распознающая система».
В ходе диссертационного исследования решались следующие задачи:
системная реализация принципов расслоения геоизображений, эвристических подходов и общей схемы процесса автоматизированного дешифрирования геоизображений для эколого-географических задач зонирования и ландшафтного оценивания территорий;
разработка технологии, методов, алгоритмов исследования и сегментации геоизображений, классификации и отслеживания контуров объектов на основе принципов расслоения и эвристических подходов автоматизированного дешифрирования ДДЗЗ с использованием пакета ВОРС и стандартных программных средств обработки изображений, распознавания образов и ГИС;
реализация на ЭВМ пакета программ, как основного исследовательского ядра решения прикладных задач анализа и синтеза геоизображений, включающего различные вспомогательные и сервисные программы, а также программную оболочку для управления комплексным использованием новых методов, как для построчной, так и покадровой обработки геоизображений;
апробирование технологии комплексной обработки геоизображений и пакета программ для решения практических задач анализа геоизображений в области исследования природных ресурсов Земли, изучения информативной емкости различных типов ДДЗЗ, а также использование его как исследовательского стенда для проведения вычислительных экспериментов и решения научных географических задач моделирования и оценивания территорий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
в пакете ВОРС впервые реализованы принципы расслоения при анализе геоизображений для решения эколого-географических задач зонирования и ландшафтного оценивания земель;
алгоритмическую основу пакета составляет оригинальная реализация процедур дешифрирования, как метода оценочной комплексной классификации (МОКК), состоящего из алгоритма двойного параллелепипеда (АДП), алгоритма вычисления оценочных структур (АВОС) и алгоритма обобщенного синтеза (АОС); метод позволил устранить ряд недостатков параллелепипедной классификации, применить методы оценки земли при обработке геоизображений и объединить в едином алгоритме разобщенные методы синтеза итогового геоизображения;
конвейерная технология для использования разнородного программного обеспечения обработки изображений и пакет ВОРС позволила расширить информационное пространство эксперта при выборе эффективного решения прикладных задач, -в том числе для ландшафтной оценки территорий, тематической классификации, сегментации изображений, анализа экологической ситуации по аэрокосмоснимкам, обеспечения региональных
проектов освоения перспективных территорий, изучения информативной емкости геоизображений;
__-_ архитектура и состав пакета ВОРС, представляющего основной блок процесса автома-
газированного дешифрирования ДЦЗЗ, позволяют использовать его в качестве оригинального исследовательского программного стенда для выявления природных закономерностей по геоизображениям.
Достоверность полученных результатов. Разработанная конвейерная технология и алгоритмы находятся в русле современных теоретических исследований, известных из литературы по анализу изображений. Приведенные в диссертации результаты в виде тематических карт, полученные с использованием созданных программных средств для обработки геоизображений подтверждены наземными обследованиями. На защиту выносятся следующие положения:
реализация принципов системного расслоения применительно к обработке геоизображений для решения эколого-географических задач;
метод оценочной комплексной классификации (МОКК), включающий алгоритмы АДП, АВОС, АОС, МГФ, разработанные на основе принципов расслоения и эвристических подходов;
пакет ВОРС и реализованная на его основе конвейерная технология обработки геоизображений для проведения вычислительных экспериментов с геоизображениями и создания тематические карт.
Методы исследования. При проведении исследований использовались процедуры системного анализа, методы теории программирования, дискретной математики, геоинформатики и методы расслоения. В основу диссертации положен многолетний опыт разработки и программирования алгоритмов компьютерного анализа аэрофотоснимков, многоспектральных космофотоснимков и цифровой космической информации с привлечением материалов наземных и аэровизуальных исследований за 1978 - 1998 гг. в различных районах Западной и Восточной Сибири. Эти работы сопровождались экспедиционными исследованиями для проверки результатов дешифрирования на местности.
Практическая значимость работы. Реализованная методика расслоения позволяет рассматривать с единых позиций структуру геоизображений как результат расслоения на элементах картографической легенды, пакеты прикладных программ в виде упорядоченного набора различных модулей и технологию как последовательность отдельных операций.
Разработанный метод МОКК и алгоритмы обеспечивают достаточный набор специальных средств исследования и преобразования геоизображений, что делает возможным применять их в комплексе с другими стандартными пакетами программ для решения задач пространственной оценки территорий.
Пакет ВОРС и конвейерная технология обеспечили проведение серии вычислительных экспериментов с геоизображениями, позволивших создать карты и реализовать ГИС-проекты разлігчной тематической направленности, имеющие большое практическое значение.
Пакет используется в Институте географии СО РАН, а также в других организациях Иркутска, Улан-Удэ, Екатеринбурга и Новосибирска при выполнении ряда прикладных исследований, имеющих научное и практическое значение.
С помощью пакета сделана оценка информационной емкости фотографических аэрокосмических снимков и цифровых спутниковых данных разных систем (Ресурс-Ф, Ре-
сурс-О, Ландсат-МСС, Ландсат-ТМ, НОАА, аэроснимки АФА и МКФ-6М), исследован различные компьютерные методы обработки изображений и предложены новые алгорит мы и технологии, дан анализ ландшафтной структуры и экологического состояния от дельных территорий Байкальского региона. Результаты демонстрировались на встреч 1996 г. участников постоянной межправительственной комиссии «Черномырдин-Гор> посвященной проблемам озера Байкал. Подготовленные для этой встречи цифровые кар ты включены в компакт-диск «Selenga».
Итоговые картографические материалы и ГИС-проекты используются Государстве* ным комитетом по охране окружающей среды Иркутской области, Региональным це* тром медицинской экологии, Байкальским региональным отделением Республики Бур« тия, Бурятским технологическим университетом, Компанией Русиапетролиум, Сибирско экологической компанией, Научно-производственной фирмой «Региональное экологиче ское прогнозирование» и др.
Апробация работы. Результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждалис на VII-VIII, X Конференциях СЭИ СО РАН (Иркутск, 1978-1980), Всесоюзной конфереи ции «Энергетика и окружающая среда» (Минск, 1980), Научных сессиях Научно координационного совета по проблеме «Аэрокосмические исследования природных ре сурсов» (Новосибирск, 1979, 1985, 1986), Региональных конференциях ИГ СО РАН «Аз рокосмические методы в географических исследованиях Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 1981) и «Аэрокосмические и наземные исследования динамики природны процессов Сибири» (Иркутск, 1984), Региональной научно-практической конференції «Проблемы создания и совершенствования автоматизированных систем охраны труда окружающей среды и здоровья населения промышленных городов» (Ангарск, 1983), Все союзных конференциях ОИДИ (Новосибирск, 1990, 1992), V Научной конференции «Ре сурсно-экологическое картографирование на основе информационных технологий» (Ир кутск, 1993), IX Всероссийской Байкальской школе-семинаре «Региональные последстви глобальных изменений климата и загрязнения природной среды» (Байкальск,1995), Меж дународной конференции «Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окру жающей среды» (Иркутск, 1996), Научно-практической конференции «Экология и город ское хозяйство» (Иркутск, май, 1997), Международной научной конференции «Классифи кация геосистем» (Иркутск, октябрь, 1997), Научно-практической конференции «Пробле мы природопользования в Байкальском регионе» (Иркутск, декабрь, 1997), Международ ной конференции «ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого раз вития территорий» (Барнаул, июль, 1998), Международной конференции «Baikal as : World Natural Heritage Site» (Улан-Удэ, сентябрь 1998), Всероссийской конференциі «Экологический риск: анализ, оценка, прогноз» (Иркутск, октябрь, 1998) и др.
Итоги работы обсуждались на философско-методологическом и физико географическом семинарах Института географии СО РАН, семинарах Сибирского энерге тического института СО РАН, СКБ научного приборостроения СО РАН, Отдела исследо вания операций ИММ УО РАН, лаборатории математического обеспечения и обработкі изображений ВЦ СО РАН и др.
Пакет ВОРС был передан для использования в Институт математики и механики УС РАН, Вычислительный центр СО РАН, Бурятское региональное объединении по Байкал; (БРО), Научно производственное предприятие «Региональное экологическое прогнозиро вание» и Региональный Центр медицинской экологии ВСФ РАМН.
Публикации. Автором опубликовано 37 работ. Из публикаций, подготовленных в соавторстве, в диссертацию включены результаты, полученные лично автором. Выполнен-- ные научные работы входили в тематический план научных исследований, проводившихся лабораторией аэрокосмических методов исследования Института географии СО РАН (рук. В.С.Михеев) Автор участвовал в исследованиях по темам РФФИ N 96-05-64727 «Геоинформационные процессы: исследование и моделирование» (рук. А.К.Чсркашин) и N 97-05-96420 «Изменение природной среды Верхнего Приангарья» (рук. Т.И.Коновалова); по теме «Оценка и картографирование современного состояния и динамики лесов Сибири с использованием космической информации» (рук. А.К.Черкашин) в рамках научно-исследовательской работы по интеграционному проекту СО РАН «Комплексные исследования биосферной роли бореальных лесов на сибирских трансектах» и по темам СЭИ СО РАН: «Развитие теории и методов оптимизации в больших системах энергетики», «Взаимодействие стационарных энергетических установок с окружающей средой», «Принципы и методы построения комплекса программ математических моделей больших систем энергетики».
Личный вклад автора. Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнялись в лаборатории аэрокосмических методов исследования Института географии СО РАН в рамках обозначенных плановых тем и тем РФФИ, по которым автор является ответственным исполнителем и соисполнителем. Лично автором обобщен технологический опыт применения разнородных пакетов к анализу и синтезу геоизображе-ний на основе принципов расслоения, предложена конвейерная технология, модель и схема автоматизированного дешифрирования ДЦЗЗ, разработан пакет программ ВОРС, алгоритмическое обеспечение предлагаемых методов, проведены вычислительные эксперименты на основе ДДЗЗ с использованием пакета ВОРС. Решение прикладных эколого-географических задач выполнялось совместно с сотрудниками лаборатории, института и других организаций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Во Введении обосновывается выбор темы, определяются цели и задачи исследования.
