Введение к работе
-з-
Актуальность работы
Современное - - человеческое общество представляет собой взаимосвязанную и взаимозависимую совокупность систем различного уровня, сложности, генезиса (природная среда, население, государственная власть, предпринимательство, наука, культура, криминал и т.п.).
Значительный интерес в этом контексте представляет рассмотрение во взаимосвязи двух типов (видов) систем: природных и социальных. В независимости друг от друга в реальном мире природные и социальные системы, как правило, не существуют, поскольку их физически невозможно отделить друг от друга. Более того, эти два типа систем активно взаимодействуют друг с другом, особенно в последние несколько десятилетий. В частности, именно с их взаимодействием связано обострение глобальных и локальных экологических проблем на планете в последние несколько лет. Проблемы эти не только не решены, но и все более обостряются, что, в конечном итоге, может привести, а кое-где уже приводит, к глобальным катастрофам (Чернобыль, Арал, Чердынь, «желтые дети» в г. Черновцы, на Алтае).
Назовем природно-социальной системой (ПСС) взаимосвязанную и взаимозависимую пространственную совокупность конечного количества природігьгх и социальных систем. Примерами ПСС могут являться предприятия, учреждения (от мелких до крупных), населенные пункты (с любым конечным количеством населения и степенью урбанизации), субъекты государства и, в конечном итоге, само государство. Первые - это ПСС низшего уровня, последние - ПСС высшего уровня.
Очевидно, что целью существования ПСС любого уровня является сохранение ее существования, что достигается в основном эффективным управлением ПСС всех уровней. В настоящее время управление ПСС осуществляется с использованием так называемых автоматизированных (информационных) технологий (ИТ), работающих с такими предметными объектами как сигналы, изображения и символьные последовательности. Существующие методы анализа и синтеза данных объектов ИТ не могут полностью удовлетворить потребностей ПСС различного уровня.
При построении модели управления ПСС, особенно высших уровней, возникает вопрос определения номенклатурного состава входящих в нее систем низшего уровня, который достаточен для достижения адекватности модели. Обычно в точных науках данная проблема решается определением функционально-полного набора составляющих систем (подсистем). В условиях неопределенности такого набора, достаточного для построения адекватной модели управлення, в настоящей работе принят подход создания максимально возможного набора ИТ исследования ПСС.
ПСС имеют своей естественной базой поверхность Земли. Очевидно и естественно использовать в их исследованиях современное представление модели земной поверхности - цифровую модель местности (ЦММ), одним из основых
способов формирования которой в настоящее время является автоматизированное дешифрирование материалов аэрокосмической съемки (МКС). Здесь наиболее известны работы А.С. Алексеева, В.П. Пяткина, Н.Ф. Афанасьева, B.C. Бирюкова, Ю.П. Киенко и др.
В результате мы приходим к важной, в целом не решенной до настоящего времени проблеме - разработке и реализации автоматизированной произюдственной технологии дешифрирования МКС с целью создания ЦММ со всеми необходимыми ее атрибутами: исходными данными, математическим аппаратом, аппаратными средствами, программными системами, информационным обеспечением (базами данных).
Задачу создания максимально возможного набора ИТ исследования ПСС эффективно решать в одном «русле» с разработкой ИТ создания ЦММ> выбрав последнюю в качестве «базовой» ИТ. Элементы максимально возможного набора ИТ, опирающиеся на базовую ИТ и использующие полученные при ее разработке результаты, здесь могут явиться своеобразными «островками», опорными пунктами ИТ исследования ПСС, которые в дальнейшем стали бы основой для последующего расширения исследований в данном направлении. Отсюда и возникает очередная проблема - разработка ИТ в едином подходе, охватив как важнейшие из основных ПСС, так и возможно большую часть менее важных (фоновых) ПСС, на основе базовой ИТ создания ЦММ.
Остановимся еще на одном аспекте исследований, проводимых в данной работе. Основным связующим звеном («стержнем») для них является понятие ПСС - природно-социальной системы. Вместе с тем, исследования имеют еще одно связующее звено - обработку, анализ и распознавание одномерных и двумерных сигналов, которым уделялось и уделяется до сих пор значительное внимание как в теоретических, так и в прикладных работах. Причем если одномерный случай достаточно хорошо изучен и реализован в многочисленных технических системах, то двумерный, характеризующийся значительной вычислительной трудоемкостью даже для современных вычислительных платформ, применяется в чистом виде достаточно редко. Чаще его сводят к одномерному случаю путем построчного сканирования. Именно методология анализа всех видов сигналов на основе одномерного случая становится вторым «стержнем», объединяющим внешне достаточно разнородные области исследований настоящей работы.
В рамках сформулированного выше подхода рассмотрим задачу речевого управления, поскольку она не потеряла актуальности до настоящего времени. По исследованиям одного из основателей автоматического распознавания слуховых образов (АРСО) Н.Г. Загоруйко с каждым годом окончательное решение данной проблемы отодвигается в направлении дальней перспективы. С научной точки зрения это достаточно противоречивая проблема, но исключительно интересная благодаря своей физической природе и есть достаточно оснований для того, чтобы она получила определенное место и в настоящей работе.
Целью работы является создание максимально возможного набора информационных технологий исследования природно-социальных систем на ос-
нове автоматизированного дешифрирования объектов цифровой подели местности по материалам аэрокосмической съемки.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие основные научно-технические задачи:
-
Разработать и реализовать базовую информациошгую технологию (БИТ) создания цифровой модели местности (ЦММ) по результатам дешифрирования материалов аэрокосмцческой съемки (МКС).
-
Разработать новые и более эффективные методы анализа и синтеза одномерных сигналов и изображений, опираясь на их обобщающее описание на основе построчного сканирования. Рассмотреть вопросы распознавания символьных последовательностей.
-
Разработать и создать информационные технологии исследования основных природно-социальных систем (ПСС), охватив наиболее важные из них: природоохранные; силовые структуры; предпринимательство; наука; транспорт; связь и т.д.
-
Разработать и создать информационные технологии исследования возможно большего числа фоновых ПСС, дополняющих основные ПСС до максимально возможного набора.
-
Исследовать теоретические и практические вопросы речевого управления в ПСС, связанные в первую очередь с недостаточно высокой надежностью речевого распознавания.
-
Разработать и создать аппаратные средства и программные системы поддержки всех рассматриваемых информационных технологий (ИТ) анализа и синтеза сигналов и изображений при исследовании ПСС.
-
Создать информационное обеспечение (базы данных) аппаратно-программных систем и технологий анализа и синтеза сигналов и изображений при исследовании ПСС.
Методы исследования основаны на математическом моделировании, численных методах, цифровой обработке изображений и сигналов, математической статистике, теории распознавания образов, теории автоматического управления, экспериментальных исследованиях реальных физических изображений и сигналов.
Научная новизна проведенных исследований заключается в нижеследующем.
-
В достаточно широкой постановке задач управления системами, вплоть до уровня государства, сформулировано понятие природно-соцісальной системы с привязкой к местности (модели местности, цифровой модели местности), на которой она функционирует.
-
При решении задач обработки материалов аэрокосмической съемки показана возможность автоматизіфованного дешифрирования объектов местности, перекрытых растительным покровом, по структуре фотоизображения.
-
Разработан эффективный метод индикационного дешифрирования объектов местности с использованием логических решающих правил. Новизна метода защищена авторским свидетельством на изобретение.
-
При дешифрировании объектов местности по материалам аэрокосмической съемки получена достаточно высокая надежность дешифрирования на основе описания фотоизображения одномерными моделями авторегрессии. Новизна методов защищена двумя авторскими свидетельствами на изобретения.
-
Создан максимально возможный набор информационных технологий исследования природно-социальных систем (ПСС), охватывающий ряд важнейших ПСС: предпринимательство, науку, образование, здравоохранение, промышленность, силовые структуры, геологию, экологию, транспорт.
-
На основе многолетних систематических исследований удалось объяснить физические механизмы работы голосового источника человека при генерировании вокализованных звуков речи.
Практическая полезность н реализация результатов работы
-
В ПГО «Гидроспецгеология», г. Москва внедрены аппаратно-программный комплекс автоматизированного дешифрирования материалов аэрокосмической съемки и тематического картографирования с соответствующей автоматизированной технологией. Созданы аппаратные средства, две программные системы дешифрирования материалов крупномасштабной аэрокосмической съемки, две базы данных, а также серия инженерно-геологических тематических карт.
-
В Государственном научно-исследовательском и производственном центре «Природа» Роскартографии внедрены аппаратно-программный комплекс автоматизированного дешифрирования материалов аэрокосмической съемки и тематического картографирования с соответствующей ИТ. Созданы аппаратные средства, две программные системы, три базы данных, а также серия природохранных тематических карт масштабов от 1:50 000 до 1:1 000 000. По результаты многолетних разработок выполнена опытно-конструкторская работа (ОКР).
-
В ряде отделов Управления вневедомственной охраны при МВД УР внедрены и находятся в эксплуатации информационно-вычислительные системы автоматизации пунктов централизованной охраны. Созданы аппаратные средства, три программные системы, три базы данных, обучен личный состав.
-
В интересах МВД Удмуртии проведены работы по определению направлений автоматизации, постановки задач и путей решения проблем автоматизированной дактилоскопической информационной системы (АДИС), что позволило сократить время ее внедрения и ускорить обучение специалистов.
-
В ГУЛ «Удмуртавтодор» и Удмуртском республиканском отделении Ространсинспекции внедрена и находится в эксплуатации цифровая карта дорог Удмуртии масштаба 1:100 000 и база данных линейных планов дорог с соответствующей ИТ.
-
В ОАО «Ижевскгаз» внедрена и находится в опытной эксплуатации информационная вычислительная система автоматизированной эксплуатации газовых сетей г. Ижевска. Агрегатированы аппаратные средства, созданы четыре программные системы, четыре базы данных.
7. На Ижевском заводе тяжелых бумагоделательных машин внедрена информационная технологій обработки диагностических сигналов бумагоделательного оборудования.
На защиту выносятся:
-
Производственная базовая информационная технология дешифрирования широкого класса объектов топографического и тематического картографирования по материалам аэрокосмической съемки, использующая методы прямого и индикационного автоматизированного дешифрирования.
-
Методика индикационного дешифрирования материалов аэрокосмической съемки. Алгоритмы распознавания условных знаков топографических и тематических карт, как символьных последовательностей.
-
Методика автоматизированного дешифрирования по структуре фотоизображения космических фотоснимков (КФС) объектов картографирования, перекрытых растительным покровом. Методика на основе динамического программирования для целей автоматизированного дешифрирования КФС.
-
Принципы дешифрирования объектов местности по структуре фотоизображения одномерными и двумерными моделями авторегрессии. Описание данных дистанционного зондирования Земли параметрами одномерной модели авторегрессии и устройство на ее основе, обоснованные на большом экспериментальном материале.
-
Описание данных дистанционного зондирования Земли частотами полюсов передаточной функции тракта формігрования изображения и устройство на их основе.
-
Опытно-методические работы по автоматизированному дешифрированию объектов топографического и тематического картоірафирования и поэтапное доведение средней надежности автоматизированного дешифрирования до уровня, в 1,5-2 раза превосходящего надежность визуального дешифрирования.
-
Принципы создания природоохранных информационных технологий на основе производственной базовой технологии дешифрирования объектов топографического и тематического картографирования по материалам аэрокосмической съемки.
-
Принципы прогнозирования месторождений нефти на территории Удмуртии на основе автоматизированной технологии индикационного дешифрирования материалов аэрокосмической съемки. Основы информационной технолопш цифрового картографирования дорог Удмуртии.
-
Основы информационных технологий эксплуатации городских газовых сетей. Методики и аппаратно-программные средства автоматизации центральных пунктов вневедомственной охраны при МВД Удмуртии.
-
Информационная технология объективной оценки качества речи при лечении врожденных расщелин неба. Основы автоматизированных процедур для периферийных медицинских учреждений детской травматологии и ортопедии.
-
Информационная технология оценки точности измерений в системе: «Спортсмен - тензоплатформа - регистрирующий прибор» и методика динамической калибровки тензометрических приборов.
-
Основы речевого управления в системах распознавания и синтеза сигналов, идентификации и верификации дикторов по частотам формант. Модель голосового источника человека при генерировании вокализованных звуков речи.
Апробация работы
Основные результаты работы представлялись, докладывались и
обсуждались: на III Всесоюзной научно-технической конференции
«Электроника и спорт - III», Ленинград, 1972 г.; на Втором Всесоюзном
совещании по космической антропоэкологии, Ленинград, 1984 г.; на трех
Всесоюзных конференциях «Методы и средства обработки сложной
графической информации», Горький, 1985, 1988, 1998 гг.; на XI
международном конгрессе фонетических наук (Xlth ICPhS), Tallinn, 1987; на II
Всесоюзной конференции «Автоматизированные системы обработки
изображений (АСОИз-86), Львов, 1986 г.; на двух Всесоюзных конференциях
«Математические методы распознавания образов» (ММРО), Львов, 1987 г.,
Рига, 1989 г.; на II Республиканском семинаре «Проблемы создания систем
обработки, анализа и распознавания изображений», Ташкент, 1989 г.; на
научно-практической конференции «Системный наземно-
аэрокосиоэкологический мониторинг природной среды», Свердловск, 1991 г.; на семи Всесоюзных школах-семинарах по автоматическому распознаванию речи АРСО-11 - АРСО-17 в 1980-92 гг.; на Совещании по планированию НИОКР ГИЦ МВД СССР, Москва, 14.03.90 г.; на научно-практической конференции Российской транспортной инспекции, Киров, март 1995 г.; на Всероссийском семинаре по детству и семье , Минздрав Удмуртии, с. Варзи-Ятчи; 5-7 июня 1998 г.; на Российском симпозиуме детских ортопедов травматологов, Ижевск, 2-5 июня 1998 г.; на IY Всероссийской конференции «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии», Новосибирск, 11-18 октября 1998 г.
' Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ.
Личный вклад автора
Диссертационная работа, предметом которой стали автоматизированные технологии в различных областях науки и производства, создаваемые по принципу «под ключ», явилась результатом многолетней работы автора в качестве научного руководителя разработок. Автор искренне считает, что полноценную автоматизированную технологию можно создать только при непосредственном участии в разработке, начиная от постановки общих и конкретных задач до обобщения полученных результатов, часто выполняя работу рядового исполнителя для более глубокого погружения в проблему. Например, понимание ряда природных закономерностей, воплотившееся в создание уникальной автоматизированной технологии дешифрирования космических фотоснимков высокого разрешения, которой до сих пор не имеют даже США, пришло к автору только после участия в полевых работах в 1983 и 1986 гг.
Научное руководство автором НИОКР подтверждены рукописными терновиками Технических заданий, научно-технических отчетов в (докомпьютерную эпоху», либо в настоящее время оригиналами в (омпьютерном архиве автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из шедения, шести глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на Ї88 машинописных страницах с иллюстрациями. Список литературы включает >57 наименований.
