Введение к работе
Актуальность работы.
Достижения в области технологий аэрокосмического мониторинга леса в первую очередь обязаны достижениям космической техники и космического приборостроения. Для мониторинга лесов широко используются спутниковые данные низкого, среднего и высокого разрешения. Лесные службы используют снимки с зарубежных КА: TERRA, Landsat (ETM), SPOT, IRS, ERS(SAR), ENVISAT(ASAR) и снимки с российских КА: «Ресурс-01», «Метеор-3М», «Монитор-Э». Все более широко используются данные детального разрешения зарубежных КА: IKONOS, Quick-Bird, ALOS; российские потребители начали работы с данными КА «Ресурс-ДК». Помимо оптических данных для районов, покрытых облачностью большую часть года, используются радиолокационные данные. Поставкой космических снимков для отечественного рынка занимаются как государственные (ФГУП НЦ КМЗ, Госцентр «Природа»), так и коммерческие организации (ИТЦ Сканэкс, Совзонд и др.).
Большой вклад в создание методов обработки космических снимков лесов внесли организации Рослесхоза (ВНИИЛМ, «Авиалесохрана», «Центрлеспроект», «Севзаплеспроект», «Запсиблеспроект»), академические институты: ИКИ РАН, ИРЭ РАН, ЦЭПЛ РАН, ИЛ СО РАН; научные центры: ЦПАМ «АЭРОКОСМОС»; вузы: МГУЛ, СПбЛТА, МарГТУ.
Однако в настоящее время отчетливо проявился ряд факторов, сдерживающих развитие и внедрение технологий аэрокосмического мониторинга леса. Уровень методических разработок, практического применения и данных дистанционного зондирования в лесном хозяйстве остается недостаточным. Отсутствует координация научно-исследовательских и методических работ на отраслевом, межотраслевом и международном уровнях.
Производственные организации, выполняющие лесоинвентаризационные работы, в недостаточной степени используют информацию аэрокосмических снимков.
Кроме того, данных, полученных со снимков, состоящих из малого числа спектральных каналов (3-30 в зависимости от спутника), зачастую недостаточно для дешифровки с производственной точностью.
По данным отечественных и зарубежных исследований с каждым годом в мире все большим спросом пользуются гиперспектральные снимки с количеством каналов от 80 и выше. Это отчетливо видно на рис.1
Поэтому наиболее перспективным направлением является использование именно таких снимков и совершенствование технологии их обработки.
Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных и зарубежных ученых: Сухих В.И., Кондранин Т.В., Родионов И.Д., Козодеров В.В., Галкин Ю.С. и др., Means J.E., Hudak A.T. Данная работа находится в русле дальнейшего развития технологий, разработанных перечисленными учеными.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является разработка метода и алгоритмов обработки информации с гиперспектрального снимка при дистанционной дешифровке объектов (на примере растительности) с уменьшением влияния внешних и субъективных факторов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
-
выполнить анализ современного состояния технических средств и существующих методов обработки информации дистанционного зондирования Земли в мире и России.
-
провести разработку автоматизированного метода обработки гиперспектральных снимков, который позволил бы решить проблему влияния внешних факторов (шум, облачность, тень, дождь и т.д.) и субъективности восприятия оператора;
-
разработка математического, алгоритмического и программного обеспечения обработки информации с гиперспектральных снимков на основе полученного метода и алгоритмов;
-
провести экспериментальную проверку применимости предложенного метода на основе модельного снимка;
-
провести экспериментальную проверку применимости предложенного метода в реальных условиях.
Методы исследований основаны на цифровом компьютерном представлении процессов получения и преобразования информации с аэрокосмических снимков, корректном использовании положений теории о n-мерных пространствах, а также с учетом существующих математических методов обработки космической информации.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
1) метод и алгоритмы обработки гиперспектральных данных с учетом внешнего воздействия среды;
2) компьютерная модель реализации метода и алгоритмов обработки информации с гиперспектрометров;
3) результаты экспериментальной проверки эффективности разработанных метода и алгоритмов на модели космического снимка;
4) результаты экспериментальной проверки эффективности разработанных метода и алгоритмов в реальных условиях.
Научная новизна. Предложен новый подход в структурировании и предварительной обработке гиперспектральных данных, а также автоматическому дешифрированию гиперспектральных снимков.
К новым результатам относятся:
1) метод получения дополнительной информации независимой от влияния внешних воздействий при дистанционной дешифровке объектов;
2) теоретическое обоснование эффективности предложенного метода и алгоритмов на основе математического евклидового пространства;
3) разработан алгоритм по структурированию и предварительному представлению гиперспектральной информации;
4) разработанные алгоритмы по автоматизированной обработке гиперспектральных снимков, независящие от внешних факторов среды и субъективного восприятия дешифровщика;
5) разработанное программное обеспечения, реализующее вышеописанные метод и алгоритмы.
Практическое значение результатов работы. Теоретические и модельные исследования завершены созданием на их основе математического, алгоритмического и программного обеспечения автоматизированной обработки информации космических гиперспектральных снимков, которое позволит решить следующие практические задачи:
-
оптимизацию гиперспектральных данных при дешифровке без потери информации при структурировании и представлении;
-
уменьшение влияния внешних факторов среды (шум, облачность, тень, дождь и т.д.) на конечный результат обработки при съемке территории;
-
устранение зависимости результата обработки аэрокосмических гиерспектральных снимков от квалификации дешифровщика.
Достоверность результатов, изложенных в работе, обоснована строгостью применения математического аппарата, сопоставлением результатов численного моделирования с данными из независимых источников, а также с данными, полученными в результате экспериментальных исследований на модельном и реальном снимках.
Апробация работы. Результаты диссертации прошли апробацию на научных конференциях:
1) международная конференции посвященная 50-летнему юбилею факультета электроники и системотехники, которая состоялась 3 февраля 2009 года в Центре управления полетами в городе Королеве;
2) 5 международная конференция - "Космическая съёмка - на пике высоких технологий", проводимая компанией «Совзонд» 13-15 апреля 2011 года в Москве;
3) отчетная аспирантская научно-техническая конференция в Московском государственном университете леса 12 мая 2011 года.
4) научно-техническая конференция в Московском государственном университете леса 25 января 2012 года.
Публикации. Результаты диссертации изложены в 5 печатных работах. Все работы опубликованы в журналах, входящих в «Перечень российских рецензируемых журналов, и рекомендованных для публикации основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук в редакции 2013 года».
