автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Измерительные системы для построения трехмерных моделей природных объектов при мониторинге окружающей среды

Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

□03052923

На правах рукописи УДК 539.62.517

Дмитриев Игорь Евгеньевич

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность: 05.11.13 - приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003052923

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Научный руководитель кандидат географических

наук, старший научный сотрудник Ю.Г. Мотовилов

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор И.П. Козлов

кандидат

математических наук А.Н. Пегоев

физико-

Ведущая организация

ГУ «НПО «Тайфун»

Защита состоится 28 марта 2007 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова по адресу: 129128 г. Москва, Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова Автореферат разослан 26 февраля 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 327.008.01

кандидат физ.-мат. наук

А.Г. Старкова

Актуальность работы.

Рост антропогенных воздействий на окружающую природную среду и вызванные этим изменения ее состояния приводят к необходимости совершенствования и развития методов наблюдения природных объектов и их составляющих, а также создания на этой основе соответствующих аппаратно-технических средств. Новые методы и средства наблюдения и контроля могут принципиально отличаться от уже существующих систем как по положенным в их основу физическим, химическим и другим принципам наблюдения, так и по номенклатуре наблюдаемых и контролируемых характеристик природных объектов. Так, в последнее время значительное внимание стало уделяться наблюдениям природно-территориальных комплексов (ПТК) как базовых элементов окружающей природно-техногенной среды. Состояние ПТК характеризуется качеством и совокупностью выполняемых ими функций, а также признаками, описывающими структуру ПТК. Структурно-функциональные части ПТК имеют свои метрические характеристики: длина, ширина, высота, форма, ориентация в пространстве, цвет, спектральная отражательная способность и т.д. Часть этих характеристик уже освоена исследователями, методы (способы) их измерения успешно применяются в различных системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Однако важнейшие характеристики природных объектов, связанные с их формой, линейными размерами, положением в пространстве, а также характеристики поверхностей природных объектов до настоящего времени не получили распространения при оценке состояния окружающей природной среды и выявлении негативно влияющих на это состояние процессов природного и антропогенного характера. Причина одна - отсутствие эффективных методов и способов наблюдения и измерения.

Наиболее легкодоступными источниками информации об объектах реального мира являются их фотоизображения. В связи с этим в последние 15 лет большое внимание уделялось разработке систем и алгоритмов построения цифровых моделей реальных объектов по их фотоизображениям. Однако доведенные до коммерческого уровня компьютерные системы построения трехмерных образов реальных объектов, например, Сапота, 1гг^еМо<1е1ег, РЬо1оМоск1ег, требовали точного выделения на

фотоизображениях этих объектов характерных элементов (вершины, ребра, границы и т.д.) и сопоставления этих элементов с их аналогами выбранной цифровой модели. Трудоемкость данного процесса существенно снижала привлекательность самих методов, поэтому подобного рода компьютерные системы не получили широкого распространения. Кроме того, весьма существенным ограничением для применения метода в задачах наблюдения и контроля состояния природных объектов является характер поверхностей самих объектов, на изображениях которых достаточно трудно выделить характерные элементы (вершины, ребра и границы объекта) и, соответственно, сопоставить их с выбранной моделью. Такие поверхности относятся к категории поверхностей с невыраженной текстурой, или к так называемым слаботекстурированным поверхностям. Однако интенсивно развивающиеся в последнее время оптико-электронные средства получения изображений реального мира в цифровой и доступной для компьютерной обработки форме открыли новые перспективы для их применения в системах наблюдения и контроля состояния окружающей природной среды. Привлекательность методологии изучения реальных природных и природно-техногенных объектов по их фотоизображениям, а также открывающиеся для этого возможности современных оптико-электронных средств получения первичной информации сформировали очевидную потребность в создании автоматизированных измерительных систем для построения трехмерных моделей по изображениям природных объектов, имеющих слаботекстурированные поверхности.

Основная цель диссертационной работы состоит в разработке методов (способов) и алгоритмов построения трехмерных цифровых моделей объектов со слабовыраженными (или вообще невыраженными) текстурами поверхностей с помощью цифровых фотоизображений этих объектов и в разработке на этой основе измерительных систем с высокой степенью автоматизации процесса измерения характеристик природных объектов и их элементов.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

- разработать компьютерный алгоритм построения трехмерной цифровой модели реального объекта со слаботекстурированными поверхностями по его изображениям, полученным оптико-электронными средствами;

- разработать измерительную систему для практической реализации компьютерного алгоритма построения трехмерных цифровых моделей объектов реального мира с поверхностями, не имеющими выраженной текстуры, и способы применения этой системы в задачах геоэкологического мониторинга на примере наблюдения состояния водных объектов, в частности, процессов разрушения их берегов и определения уровней воды, а также геометрических характеристик дымовых струй в атмосфере.

Предметом исследования является разработка методов (способов) определения особых точек на поверхности объектов реального мира, которые можно было бы идентифицировать на нескольких фотоизображениях этой поверхности как общие (сопряженные) точки, а также реализация этих способов в измерительных системах геоэкологического мониторинга, позволяющих проводить наблюдения процессов разрушения берегов водных объектов, измерять уровни воды, а также траектории движения в атмосфере дымовых струй, образованных выбросами объектов промышленности и энергетики.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые методы (способы) построения цифровых трехмерных моделей реального мира по их фотоизображениям применены к задачам изучения, наблюдения и контроля состояния природных образований (объектов) с характерной особенностью их поверхности, а именно отсутствием выраженной текстуры. Для этих целей впервые предложен метод искусственного создания на нетекстурированной поверхности специальных световых меток (например, с помощью лазерного устройства), которые, с одной стороны, совпадают с наблюдаемой поверхностью, и, с другой стороны, легко идентифицируются на совокупности фотоизображений этой поверхности. Таким способом практически для любой поверхности относительно легко формируется облако общих (сопряженных) точек.

Практическая значимость работы заключается в том, что реализация этих методов в форме измерительных систем позволяет создать аппаратно-техническую базу для изучения метрических параметров процессов разрушения берегов водных объектов и для слежения за изменениями уровня водной поверхности. Также применение метода (способа) построения трехмерной модели объекта реального мира по его фотоизображениям позволяет осуществить непрерывное наблюдение (измерение) траектории дымовой струи, образующейся в атмосфере при выбросах загрязняющих веществ

предприятиями промышленности и энергетики. Такие наблюдения в ряде случаев играют исключительно важную роль при решении задач охраны окружающей среды, оценки экологической обстановки вокруг действующих предприятий, а также выявления реальных экологических угроз, особенно в аварийных ситуациях.

Основные положения, выносимые на защиту:

• алгоритм выявления на совокупности фотоизображений поверхности, имеющей слабовыраженную текстуру, сопряженных точек и построения на этой основе цифровой трехмерной модели этой поверхности;

• метод (способ) формирования облака сопряженных точек на фотоизображениях природного объекта с нетекстурированной поверхностью путем ее маркировки световым пятном лазерного луча;

• измерительную систему, предназначенную для получения облака трехмерных точек нетекстурированной или слаботекстурированной поверхности природного объекта и построения его цифровой трехмерной модели;

• способ применения измерительной системы для получения необходимых данных измерений и построения цифровых трехмерных моделей реальных обрывов береговой линии Рыбинского водохранилища;

• метод (способ) измерения уровней воды по фотоизображениям специальным образом маркированной водной поверхности и измерительную систему, реализующую указанный способ гидрологических наблюдений;

• метод (способ) измерения геометрических параметров пространственного положения дымовой струи по ее фотоизображениям и измерительную систему для наблюдения в масштабе реального времени высоты подъема загрязняющих веществ при их выбросе в атмосферу предприятиями промышленности и энергетики.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях молодых ученых Государственного института прикладной экологии (2005 г.) и Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2006 г.), а также на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года).

По результатам исследований опубликовано 5 печатных работ.

Личный вклад автора сводится к следующему:

- адаптация алгоритмов поиска сопряженных точек на фотоизображениях объектов реального мира к стереоскопическим фотоизображениям природных объектов со слабовыраженной текстурой поверхности;

- создание принципа (идеи) маркировки нетекстурированной поверхности природных объектов световыми пятнами, детальная разработка этого научно-технического принципа до соответствующих методических и технических решений;

разработка и создание действующих образцов соответствующих измерительных систем и их апробация на реальных природных объектах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из наименований. Включает 103 страницы текста, в том числе 42 рисунка и 1 таблицу.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы,

сформулированы ее цели и задачи, указан объект исследования.

В первой главе представлены современные методы и средства построения трехмерных цифровых образов реальных объектов. В настоящее время для этого существует два подхода. Первый подход опирается на методологию лазерного сканирования, когда множество точек на поверхности исследуемого объекта получается путем измерения характеристик отраженного от этих точек лазерного импульса. Второй подход опирается на методологию фотограмметрии, когда трехмерная форма, размеры и положение объекта определяются по его изображениям.

Рассматриваются достоинства и недостатки лазерного сканирования, условия применения метода, а также решаемые с его помощью задачи. Обосновывается вывод о неперспективности применения систем лазерного сканирования природных и природно-техногенных объектов из-за методической ограниченности применяемых аппаратно-технических средств, их сложности и дороговизны.

Для метода фотограмметрии проводится сравнительный анализ с возможностями метода лазерного сканирования, отмечаются преимущества второго метода в задачах наблюдения и контроля

природных объектов. Приводится анализ современных условий для получения изображения природного объекта современными оптико-электронными средствами. Отмечается, что современные технологии предоставляют для целей получения изображений практически неограниченные возможности. Основная проблема развития методологии фотограмметрии в задачах наблюдения природных объектов и протекающих в них процессов связана с созданием эффективных методов обработки изображений исследуемого объекта в цифровом формате и построения цифровых трехмерных моделей. В этой связи ключевая роль отводится алгоритмам определения на совокупности изображений исследуемого объекта точек, являющихся изображениями одних и тех же точек поверхности реального объекта. Такие точки принято называть сопряженными (или общими), а само их множество принято называть облаком сопряженных точек, которое является основой для построения трехмерной модели. Облако сопряженных точек фактически является точечной трехмерной моделью исследуемой поверхности. Чем больше таких сопряженных точек выявлено на совокупности изображений, тем точнее построенная трехмерная модель соответствует реальной поверхности.

Как правило, в анализируемых работах рассматриваются случаи объектов, поверхность которых имеет выраженную текстуру, и все алгоритмы выявления сопряженных точек предполагают их применение для изображения таких поверхностей. Особой популярностью пользуются алгоритмы «компьютерного зрения», позволяющие с максимальной реалистичностью строить модели виртуального мира. При этом основное внимание уделяется повторению в цифровой трехмерной модели всех особенностей реальной поверхности и деталей ее текстуры, т. е. формированию ее фотоизобразительности. На фотоизобразительность оказывают влияние различные шумы и помехи, которые искажают реальный объект в виртуальном изображении. Фильтрация облака сопряженных точек и определение роли каждой точки в формировании изобразительного облика исследуемого объекта в виртуальной реальности - предмет основных усилий исследователей. При наблюдении и контроле состояния природных и природно-техногенных объектов их фотоизобразительность и связанные с ней аспекты цифровой реконструкции малосущественны. Более важное значение имеет выделение общих (сопряженных) точек

на совокупности изображений поверхностей со слабовыраженной текстурой, что является характерной особенностью большинства природных и природно-техногенных объектов. Анализ литературных источников показал, что именно эти аспекты вообще не проработаны. Данное обстоятельство является серьезным препятствием для практического применения способа наблюдения состояния природных и природно-техногенных объектов, количественного определения геометрических и других параметров по их изображениям при мониторинге окружающей природной среды.

Вторая глава посвящена описанию способов и алгоритмов реконструкции трехмерных цифровых образов реальных природных и природно-техногенных объектов по их изображениям, полученным оптико-электронными средствами.

Процедура построения трехмерной цифровой модели состоит из нескольких этапов:

- этапа фотосъемки оптико-электронными средствами и получения набора цифровых изображений поверхности исследуемого реального объекта;

- этапа поиска и согласования общих (сопряженных) точек на фотоизображениях поверхности исследуемого реального объекта;

- этапа вычисления трехмерных координат для всех найденных на фотоизображениях общих (сопряженных) точек;

- этапа построения трехмерной цифровой модели поверхности.

Первый этап предлагается решать с помощью специальной

стереоскопической системы, включающей в себя два согласованных между собой оптико-эл< 8 1ных устройства (цифровые фотокамеры), позволяющих получить два цифровых стереоскопических снимка исследуемой поверхности (объекта). Описываются измерительные свойства цифровых снимков, в частности, приводятся алгоритмы вычисления пространственного положения общей точки. Значительное место уделяется вопросам калибровки и юстировки измерительной стереоскопической системы. Приводятся рекомендации выбора оптико-измерительных устройств для проектирования стереоскопической измерительной системы.

Основная проблема применения метода построения трехмерных моделей для исследования состояния и свойств природных и природно-техногенных объектов - это поиск и согласование общих точек. В работе приводится алгоритм автоматического поиска таких

точек на стереоскопических цифровых изображениях слаботекстурированной поверхности.

Для объектов, на изображениях которых невозможно выделить общие (сопряженные) точки, предлагается способ построения облака сопряженных точек исследуемой поверхности путем ее маркировки световыми пятнами. Для образования таких световых пятен целесообразно использовать специальную лазерную систему, сканирующую исследуемую поверхность. Основным требованием, предъявляемым к такой лазерной системе, является возможность образования на исследуемой поверхности светового пятна, которое фиксируется на ее цифровом изображении. Расчеты и натурные исследования показали, что такие световые пятна, проявляющиеся на цифровых снимках, могут быть получены стандартными лазерными нивелирами, удаленными от исследуемой поверхности на расстояние до 100-200 метров.

Рассматривается структура и конструкция измерительной системы, реализующей метод лазерной маркировки нетекстурированной поверхности. Измерительная система состоит из лазерной системы формирования на исследуемой поверхности световых пятен-маркеров и стереоскопического оптико-электронного устройства (сопряженная пара цифровых фотокамер), связанных с компьютером. Предлагается два варианта такой системы. Первый вариант измерительной системы опирается на лазерную систему, которая одновременно генерирует всю совокупность световых пятен-маркеров. Вся эта совокупность световых пятен фиксируется на одном стереоскопическом цифровом снимке. В результате дальнейшей обработк: 9 стереоскопического снимка определяется пространственное положение (трехмерные координаты) всех световых пятен одновременно. Совокупность трехмерных координат этих световых пятен образует необходимое для построения цифровой трехмерной модели поверхности облако сопряженных точек.

Второй вариант измерительной системы использует лазерную систему, постоянно сканирующую исследуемую поверхность лазерным лучом. Для этих целей вполне пригоден строительный лазерный нивелир, который в каждый момент времени образует на исследуемой поверхности одно световое пятно от лазерного луча. Стереоскопическое оптико-электронное устройство с определенным

темпом проводит съемку этой поверхности. При этом на каждом цифровом снимке световое пятно лазерного луча будет занимать новое положение, в результате чего на совокупности цифровых изображений будет содержаться вся информация об облаке сопряженных точек. Количество сопряженных точек в соответствующем облаке может быть увеличено путем простого увеличения стереоскопических снимков. При обработке изображений алгоритм выделения сопряженной точки на стереоскопическом снимке в данном случае предельно упрощен, т.к. такая точка на снимке единственная. В этом состоит существенное преимущество данного варианта измерительной системы по сравнению с первым вариантом, когда выявление всей совокупности сопряженных точек осуществляется по одному стереоскопическому снимку. Однако в данном варианте требуется большой ресурс электронно ю и яти для хранения получаемого множества цифровых стереоскопических снимков. Этот достаточно существенный недостаток в настоящее время преодолим путем применения современных оптико-электронных фотокамер с большим объемом электронной памяти.

В третьей главе дается описание конкретных проблем, например, проблемы наблюдения состояния береговой линии водохранилищ и контроля процессов их разрушения. Приводятся требования, которые предъявляются к наблюдениям природных объектов со слабовыраженной текстурой поверхности. На основании этих требований проводится адаптация основных алгоритмов построения цифровых трехмерных моделей к решению конкретных задач мониторинга окружающей среды. Приводятся основные результаты разработки соответствующей методики наблюдения применительно к наблюдению состояния и процессов разрушения берегов водных объектов. Рассматриваются способы и методы построения цифровых моделей поверхностей по облаку сопряженных точек, например, триангуляция Делоне, интерполяция и т.д. Описывается методика применения разработанной измерительной системы для построения трехмерных цифровых моделей реальных объектов к реальному участку береговой линии, приводятся результаты ее применения. На Рис. 1 приведен реальный стереокадр фотоизображения исследуемого берегового обрыва. Для этого участка приведены полученное облако сопряженных точек (Рис.2) и построенная цифровая

Цифровая триангуляционная модель поверхности берегового обрыва (Рис. 3), а также показаны результаты исследования динамики его разрушения (Рис. 4).

Имбраши 1

Рис. 1.

Исходная стереопара фотоизображения берегового обрыва

Ми «е1Ро1п(

Рис. 2. Облако сопряженных точек

Рис.3. Цифровая модель берегового обрыва

I

Рис.4. Моделирование разрушения берегового обрыва

Эти результаты показывают эффективность предлагаемого способа изучения важных для практических целей негативных природных процессов.

Возможности метода (способа) наблюдения состояния природных и природ но-техно ген н ых объектов по их стереоскопическим цифровым изображениям продемонстрированы на измерениях уровней воды в водном объекте. Несмотря на то, что измерение уровня воды представляет собой одну из самых массовых задач гидрологии, для решения которой разработаны и успешно применяются многочисленные методы, и созданы необходимые приборы, в ряде случаев необходимость в совершенствовании и развитии методов остается актуальной. Так, проблемы измерения уровня воды возникают при выполнении гидрологических исследований на водотоках с бурным (горным) характером течения, когда стандартные методы неприменимы либо их применение связано с большими сложностями. Рассматриваемый метод предполагает стереоскопическую цифровую съемку водной поверхности с расположенными на ней специальными метками и дальнейшую обработку стереоскопических снимков с помощью описанных в работе алгоритмов построения цифровой трехмерной модели, на которой выделяются совпадающие с уровнем воды специальные метки с уже известными трехмерными координатами. Таким способом можно относительно легко определить уровень возмущенной водной поверхности, например, поверхности горного водотока. В ряде случаев

предлагаемый метод может оказаться более эффективным, чем стандартные методы решения гидрологических задач. В работе рассматривается несколько способов создания специальных меток на поверхности воды. Следует отметить, что эти способы могут оказать существенное влияние на масштабы практического применения предлагаемого метода при решении гидрологических задач.

Возможность определения пространственного положения объекта позволяет рекомендовать рассмотренный в работе метод, алгоритмы и измерительные системы для определения геометрических характеристик эффективного источника загрязнения атмосферы выбросами загрязняющих веществ предприятий промышленности и энергетики. Как правило, такие выбросы образуют в сносящем ветровом потоке динамическую струю, которая забрасывает загрязняющие вещества на определенную высоту. Для оценки экологической обстановки от такого выброса у поверхности земли необходимо учитывать не только высоту трубы, из которой выбрасываются загрязняющие вещества, но и добавочную высоту выброса за счет подъема динамической струи в атмосфере. Создание эффективных измерительных средств, позволяющих в режиме реального времени измерить эту дополнительную высоту подъема загрязняющих веществ в атмосфере, играет важную роль при построении систем мониторинга для важнейших промышленных и энергетических объектов. Как правило, выбросы загрязняющих веществ в атмосферу образуют визуально наблюдаемую дымовую струю. Это обстоятельство позволяет применить к решению данной задачи метод (способ) определения пространственного положения исследуемого объекта по его изображениям путем построения соответствующей цифровой трехмерной модели. Следует отметить, что в данном случае нет необходимости в построении трехмерной модели дымовой струи, достаточно определить положение в пространстве ее плоского сечения вдоль оси. Проблема состоит также в фиксации сопряженных точек образования, не имеющего постоянной оптической плотности. Практика применения указанного метода показала, что для поставленных целей вполне достаточно определить пространственное положение хорошо видимых на фоне неба границ дымового облака. Построенная цифровая модель нижней и верхней границы дымовой струи по стереоскопическому снимку, полученному с одной боковой стороны дымовой струи, позволяет определить не только геометрические характеристики расширения струи, но и установить траекторию ее подъема в атмосфере.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы:

1.Предложены новые методы (способы) наблюдения и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов, основанные на способах и алгоритмах построения трехмерных цифровых моделей этих объектов по совокупности их изображений. Трехмерные цифровые модели позволяют определить текущее состояние и трансформацию во времени формы, размеров, пространственного положения природных и природно-техногенных объектов и образований, являющихся составными частями и элементами природно-территориальных комплексов и ландшафтов.

2. Для построения трехмерных цифровых моделей природных и природно-техногенных объектов предложены алгоритмы автоматического поиска сопряженных точек на стереоскопических изображениях поверхностей со слабовыраженной текстурой.

3.Для природных и природно-техногенных объектов, поверхность которых не имеет выраженной текстуры, разработан метод построения цифровых характеристик таких поверхностей по их стереоскопическому изображению - облака сопряженных точек - с помощью специальной системы лазерной маркировки.

4.Разработаны измерительные системы, реализующие предложенные в работе метод и алгоритмы построения цифровых трехмерных моделей слаботекстурированных поверхностей природных и природно-техногенных объектов по их стереоскопическим изображениям.

5.Разработаны измерительные системы, предназначенные для построения цифровых трехмерных моделей поверхностей природных и природно-техногенных объектов, поверхность которых не имеет выраженной текстуры, методами лазерной маркировки исследуемой поверхности.

6.Разработаны измерительные системы, реализующие предложенные в работе методы построения трехмерных цифровых моделей объектов со слаботекстурированной и нетекстурированной поверхностью.

7.Предложен способ наблюдения состояния берегов водных объектов с помощью разработанной измерительной системы и ее программно-математического обеспечения. Способ практически апробирован на одном из береговых участков Рыбинского водохранилища, подверженного процессам разрушения, в результате

чего построена цифровая трехмерная модель этого реального участка берега.

8.Разработан метод и соответствующая измерительная система измерения (наблюдения) уровня воды в водном объекте путем построения цифровой трехмерной модели его поверхности с расположенными на ней специальными метками. Рассмотрены способы формирования меток поверхности воды, в том числе и поверхности воды бурного (горного) потока.

9.Предложен метод и соответствующая измерительная система для измерения дополнительной высоты подъема дымовой струи загрязняющих веществ за счет ее динамического подъема в сносящем ветровом потоке. Данная информация необходима для достоверной оценки экологической обстановки у поверхности земли путем уточнения характеристик высоты формируемого в атмосфере эффективного источника загрязнения выбросами предприятий промышленности и энергетики.

Также в заключении сформулированы следующие рекомендации по использованию результатов работы:

1. Измерительная оптико-электронная система, предназначенная для построения цифровых трехмерных моделей (образов) реальных природных образований, позволяет без существенных затрат организовать регулярные наблюдения за негативными процессами, которым раньше не уделялось должного внимания. К таким процессам следует отнести процессы переработки берегов водохранилищ Волжско-Камского каскада. В этой связи представляется целесообразным создать банк цифровых трехмерных моделей береговых обрывов в форме соответствующих облаков сопряженных точек, полученных путем обработки стереоизображений описанными в данной работе способами и алгоритмами.

2. Для контроля параметров радиоактивных выбросов, осуществляющихся через вентиляционные трубы атомных электростанций (АЭС), в случае возникновения аварийных и радиационно-опасных ситуаций рекомендуется установить в вентиляционных трубах АЭС средства визуализации радиоактивных струй в атмосфере (дымовые шашки с устройствами дистанционного запуска), а также расположить во внешней среде в районе вентиляционных труб оптико-электронные устройства измерительной системы, обеспечивающей построение трехмерной модели дымовой струи, как аналогу радиоактивной струи, по ее изображениям.

3. Для решения актуальных задач гидрологии горных рек, связанных со своевременным предупреждением быстро развивающихся паводков, целесообразно применить измерительную оптико-электронную систему, обеспечивающую построение цифровой трехмерной модели водной поверхности горной реки.

4. Кроме того, предложенная измерительная система и метод построения цифровых объемных образов реальных объектов по их изображениям может найти реальное и эффективное применение при наблюдении ледоходов и сопутствующих им процессов.

Основные вопросы, рассмотренные в диссертации, освещены в следующих опубликованных работах:

1. Дмитриев И.Е. Информационно-измерительные комплексы для оценки и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов визуальными методами // Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики. Труды ГИПЭ. - 2005.

2. Дмитриев И.Е. Информационно-измерительная система контроля радиоактивных выбросов в аварийных ситуациях // Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики. Труды ГИПЭ. -2005.

3. Дмитриев И.Е. Оптико-электронные методы для наблюдения и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов // 50 лет института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова. Труды ИПГ. - 2006. - Вып. 85.

4. Дмитриев И.Е. Измерительные оптико-электронные системы контроля состояния природных объектов // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2006. - Бюллетень № 6.

5. Дмитриев И.Е. Оптико-электронные методы наблюдения и контроля состояния природных объектов: Тезисы докладов второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии», 2-3- октября 2006 г.- М., 2006.

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Обзор методов реконструкции компьютерных трехмерных моделей объектов реального мира.

Глава 2. Реконструкция трехмерных цифровых образов природных и природно-техногенных объектов по их изображениям.

2.1. Анализ проблемы и постановка задачи реконструкции цифровых образов объектов реального мира.

2.2. Принципы, методы и алгоритмы построения цифровых трехмерных моделей объектов, имеющих слабовыраженную текстуру поверхности, по их стереоскопическим изображениям:

2.2.1. стереоскопические пары цифровых снимков и их измерительные свойства;

2.2.2. алгоритмы реконструкции трехмерных цифровых моделей по их стереоизображениям;

2.2.3. алгоритм калибровки и юстировки;

2.2.4. алгоритм сравнения реконструированных поверхностей.

2.3. Измерительная система для построения цифровых трехмерных моделей объектов со слабовыраженной текстурой поверхностей по их стереоскопическим изображениям.

2.4. Метод и измерительная система построения цифровой трехмерной модели объекта с поверхностью, не имеющей текстуры.

Глава 3. Способы и измерительные системы наблюдения и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов по их изображениям

3.1. Способ наблюдения и контроля состояния и процессов разрушения берегов водных объектов по их стереоскопическим изображениям.

3.2. Способ и измерительная система для наблюдения уровня воды по стереоскопическим изображениям поверхности воды. определения струи, предприятий

Рост антропогенных воздействий на окружающую природную среду, вызванные этим изменения ее состояния приводят к необходимости совершенствования и развития методов наблюдения природных объектов и их составляющих, создания на этой основе соответствующих аппаратно-технических средств. Новые методы и средства наблюдения и контроля могут принципиально отличаться от уже существующих систем как по положенным в их основу физическим, химическим и другим принципам наблюдения, так и по номенклатуре наблюдаемых и контролируемых характеристик природных объектов. Так, в последнее время значительное внимание стало уделяться наблюдениям природно-территориальных комплексов (ПТК), рассматривая их в качестве базовых элементов окружающей природно-техногенной среды. Состояние ПТК характеризуется качеством и совокупностью выполняемых ими функций, а так же признаками, описывающими структуру ПТК. Структурно-функциональные части ПТК имеют свои метрические характеристики такие, как длина, ширина, высота, форма, ориентация в пространстве, цвет, спектральная отражательная способность и т.д. Часть этих характеристик уже освоена исследователями, методы (способы) их измерения успешно применяются в различных системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Однако важнейшие характеристики природных объектов, связанные с их формой, линейными размерами, положением в пространстве, а также характеристики поверхностей природных объектов вплоть до настоящего времени не получили распространения при оценке состояния окружающей природной среды и выявления негативно влияющих на это состояние процессов природного и антропогенного характера. Причина одна -отсутствие эффективных методов и способов наблюдения и измерения.

Наиболее легкодоступными источниками информации об объектах реального мира являются их фотоизображения. В связи с этим последние 15 лет большое внимание уделялось разработке систем и алгоритмов построения цифровых моделей реальных объектов по их фотоизображениям. Однако доведенные до коммерческого уровня компьютерные системы построения трехмерных образов реальных объектов, например, Сапоша, 1п^еМос1е1ег, РИоЮМосЫег, требовали точного выделения на фотоизображениях этих объектов специфических элементов, таких, как вершины, ребра, границы и т.д., и сопоставления этих специфических элементов (вершин, ребер и границ) с их аналогами выбранной цифровой модели. Этот процесс трудоемок, что существенно снижало привлекательность самих методов, и подобного рода компьютерные системы не получили широкого распространения. Кроме того, весьма существенным ограничением для применения метода в задачах наблюдения и контроля состояния природных объектов является характер поверхности самих объектов, на изображении которой достаточно трудно выделить характерные элементы типа вершины, ребра и границы объекта и, соответственно, сопоставить их с выбранной моделью. Такие поверхности относятся к категории поверхностей с невыраженной текстурой. В то же время интенсивно развивающиеся в последнее время оптико-электронные средства получения изображений реального мира в цифровой и доступной для компьютерной обработки форме открывали новые перспективы для их применения в системах наблюдения и контроля состояния окружающей природной среды. Привлекательность методологии изучения реальных природных и природно-техногенных объектов по их фотоизображениям, открывающиеся для этого возможности современных оптико-электронных средств получения первичной информации сформировали очевидную потребность в создании автоматизированных измерительных системах для построения трехмерных моделей по изображениям природных объектов, имеющих поверхности со слабовыраженной текстурой.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка методов (способов) и алгоритмов построения с помощью цифровых фотоизображений объектов со слабовыраженными (или вообще невыраженными) поверхностями их трехмерных цифровых моделей, а также разработки на этой основе измерительных систем с высокой степенью автоматизации процесса измерения характеристик природных объекта и их элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать компьютерный алгоритм построения трехмерной цифровой модели реального объекта, имеющего поверхности со слабовыраженной текстурой, по его изображениям, полученным оптико-электронными средствами;

- разработать измерительную систему для практической реализации компьютерного алгоритма построения трехмерных цифровых моделей объектов реального мира с поверхностями, не имеющими выраженной текстуры, и способы применения этой системы в задачах геоэкологического мониторинга на примере наблюдения состояния водных объектов, в частности процессов разрушения их берегов и определения уровней воды, и геометрических характеристик дымовых струи в атмосфере;

Предметом исследования является разработка методов (способов) определения особых точек на поверхности объектов реального мира, которые можно было бы идентифицировать на нескольких фотоизображениях этой поверхности как общие (сопряженные) точки, а также реализация этих способов в измерительных системах геоэкологического мониторинга, позволяющих проводить наблюдения процессов разрушения берегов водных объектов, измерять уровни воды, а также траектории движения в атмосфере дымовых струй, образованных выбросами объектов промышленности и энергетики.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые методы (способы) построения цифровых трехмерных моделей реального мира по их фотоизображениям применены к задачам изучения, наблюдения и контроля состояния природных образований (объектов) с характерной особенностью их поверхности, а именно отсутствием выраженной на ней текстуры. Для этих целей впервые предложен метод искусственного создания на нетекстурированной поверхности специальных световых меток (например, с помощью лазерного устройства), которые, с одной стороны, совпадают с наблюдаемой поверхностью, с другой стороны, легко идентифицируются на совокупности фотоизображений этой поверхности. Таким способом относительно легко формируется облако общих (сопряженных) точек практически для любой поверхности.

Реализация этих методов в форме измерительных систем позволяет создать аппаратно-техническую базу для изучения метрических параметров процессов разрушения берегов водных объектов, для слежения за изменениями уровня водной поверхности. Применение метода (способа) построения трехмерной модели объекта реального мира по его фотоизображениям позволяет осуществить непрерывное наблюдение (измерение) траектории дымовой струи, образующейся в атмосфере при выбросах загрязняющих веществ предприятиями промышленности и энергетики. Такие наблюдения играют в ряде случаев исключительно важную роль при решении задач охраны окружающей среды, оценки экологической обстановки вокруг действующих предприятий, выявления реальных экологических угроз, особенно в аварийных ситуациях. Автор защищает:

• алгоритм выявления на совокупности фотоизображений поверхности, имеющей слабовыраженную текстуру, сопряженных точек и построения на этой основе ее цифровой трехмерной модели;

• метод (способ) формирования облака сопряженных точек на фотоизображениях природного объекта с нетекстурированной поверхностью путем ее маркировки световым пятном лазерного луча;

• измерительную систему, предназначенную для получения облака трехмерных точек нетекстурированной либо слаботекстурированной поверхности природного объекта и построения его цифровой трехмерной модели;

• способ применения измерительной системы для получения необходимых данных измерений и построения цифровых трехмерных моделей реальных обрывов береговой линии Рыбинского водохранилища;

• метод (способ) измерения уровней воды по фотоизображениям специальным образом маркированной водной поверхности, и измерительную систему, реализующую указанный способ гидрологических наблюдений;

• метод (способ) измерения геометрических параметров пространственного положения дымовой струи по ее фотоизображениям, и измерительную систему для наблюдения в масштабе реального времени высоты подъема загрязняющих веществ при их выбросе в атмосферу предприятиями промышленности и энергетики.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеослужб государств-участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии» и опубликованы в следующих работах автора:

- Дмитриев И.Е. Информационно-измерительные комплексы для оценки и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов визуальными методами // Труды ГИПЭ - 2005

Дмитриев И.Е. Информационно-измерительная система контроля радиоактивных выбросов в аварийных ситуациях // Труды ГИПЭ - 2005

- Дмитриев И.Е. Оптико-электронные методы для наблюдения и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов // Сборник научных трудов. Вып. 85. Труды института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Дмитриев И.Е. Измерительные оптико-электронные системы контроля состояния природных объектов // Использование и охрана природных ресурсов в России. Бюллетень № 6.2006

- Дмитриев И.Е. Оптико-электронные методы наблюдения и контроля состояния природных объектов // Тезисы докладов. Вторая международная конференция молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств - участников СНГ «Новые методы и технологии в гидрометеорологии», 2-3- октября. Москва - 2006

Личный вклад автора сводится к следующему:

- адаптация алгоритмов поиска сопряженных точек на фотоизображениях объектов реального мира применительно к стереоскопическим фотоизображениям природных объектов со слабовыраженной текстурой поверхности;

- создание принципа (идеи) маркировки нетекстурированной поверхности природных объектов световыми пятнами, детальная разработка этого научно-технической принципа до соответствующих методических и технических решений;

- разработка, создание действующих образцов соответствующих измерительных систем и их апробация на реальных природных объектах. Структура диссертации. Диссертационная работа содержит 114 страниц, состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 39 иллюстраций, список цитируемой литературы содержит 42 наименование.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выводы:

1. Анализ развития и тенденций совершенствования современных неконтактных методов наблюдения окружающей природной среды, составляющих ее природных и природно-техногенных объектов показал необходимость включения в процесс наблюдения таких средств, которые позволяют определять размеры, форму, пространственное положение и ориентацию природных и природно-технических образований, являющихся элементами природно-территориальных комплексов и играющих важную роль в оценке общего состояния окружающей среды.

Для решения задач такого типа в данной работе предложена методология построения цифровых трехмерных образов (моделей) объектов реального мира по совокупности их фотоизображений.

Для реализации этой методологии в задачах наблюдения и контроля конкретных природных образований была выполнена адаптация и доработка алгоритмов построения цифровых трехмерных образов. Адаптация и доработка соответствующих алгоритмов касалась возможности их применения к объектам реального мира с поверхностями, имеющими слабовыраженную текстуру.

Для природных и природно-техногенных образований реального мира, поверхность которых вообще не имеет выраженной текстуры, предложен метод световой маркировки, гарантирующий возможность построения облака общих точек на стереоизображениях. Эта возможность является ключевым моментом предлагаемой методологии, т.к. общие точки формируют принадлежащее исследуемой поверхности облако ЗЭ-точек, с помощью которого в дальнейшем может быть построена цифровая трехмерная модель объекта. Для реализации метода световой маркировки поверхности без текстуры предложены два способа выполнения такой маркировки с помощью лазерного устройства и разработана соответствующая измерительная система.

2.Предложенная и разработанная в работе методология построения цифровых трехмерных образов объектов реального мира по их фотоизображениям и соответствующая измерительная система с оптико-электронным сенсором, представляющим собой стереоскопическую пару цифровых фотоаппаратов, была применена для наблюдения состояния берегов водных объектов и контроля процессов их переработки (разрушения). Разработанные алгоритмы позволили построить трехмерную цифровую модель обрыва одного из участков береговой линии Рыбинского водохранилища.

В рамках решения задачи контроля процессов переработки (разрушения) берегов водных объектов предложен и практически реализован алгоритм сравнения различных трехмерных цифровых моделей реальных объектов между собой. Алгоритм позволяет осуществить процедуру слежения за динамикой изменения береговой линии водного объекта и получить количественные значения параметров, характеризующих эту динамику.

3. Предложены способы решения гидрологических задач с помощью разработанной методологии трехмерной реконструкции объектов реального мира по их фотоизображениям и разработана соответствующая измерительная система. Для этих целей использована идея мечения поверхности, у которой отсутствует выраженная текстура. Для водной поверхности предложены несколько способов создания на ней специальных меток, позволяющих выявить на совокупности фотоизображений общие точки и определить по ним уровень поверхности воды.

Рассмотрены варианты решения более сложных гидрологических задач методами построения трехмерных цифровых образов реальных образований по их фотоизображениям на поверхности воды. Так, известный фотогидрометрический метод определения расхода воды открытого потока с помощью пузырьковых индикаторов скорости течения в комбинации с методологией построения цифровых трехмерных образов реальных объектов (в данном случае - пузырьковое образование на водной поверхности) по фотоизображениям может быть практически реализован с высокой степенью эффективности по сравнению с традиционными способами решения гидрологических задач.

4. Предложен метод измерения параметров и характеристик источников загрязнения окружающей среды, формируемых визуально наблюдаемыми в атмосфере дымовыми выбросами промышленных и энергетических объектов. До настоящего времени эта важная в практическом отношении задача эффективного решения не имела. Предложен способ визуальной маркировки выброса загрязняющих веществ в атмосферу для тех случаев, когда образование из загрязняющего вещества имеет низкую оптическую плотность и визуально не фиксируется.

Рекомендации:

1. Измерительная система с оптико-электронным сенсором в виде стереоскопической пары цифровых фотоаппаратов, предназначенная для построения цифровых трехмерных моделей (образов) реальных природных образований, позволяет без существенных затрат организовать регулярные наблюдения за негативными процессами, которым раньше не уделялось должного внимания в силу отсутствия доступных и дешевых измерительных средств. К таким процессам следует отнести процессы переработки берегов водохранилищ Волжско-Камского каскада. В этой связи представляется целесообразным создать банк цифровых трехмерных моделей береговых обрывов в форме соответствующих облаков сопряженных точек, полученных путем обработки стереоизображений описанными в данной работе способами и алгоритмами. Создание и дальнейшее ведение такого банка цифровых моделей позволит следить за процессами переработки берегов и разрабатывать на этой основе компенсационные мероприятия.

2. Для контроля параметров радиоактивных выбросов через вентиляционные трубы атомных электростанций в случаях возникновения различных аварийных и радиационно-опасных ситуаций рекомендуется установить в вентиляционных трубах АЭС средства визуализации радиоактивных струй в атмосфере - дымовые шашки с устройствами дистанционного запуска -и расположить во внешней среде в районе расположения вентиляционных труб оптико-электронные сенсоры измерительной системы, обеспечивающей построение трехмерной модели радиоактивной струи по ее изображениям. Стоимость такой системы и эксплуатационные затраты будут самыми низкими среди всех возможных способов и методов решения такой задачи. 3. Для решения актуальных задач гидрологии горных рек, связанных с предупреждением быстро развивающихся паводков, целесообразно применить измерительную оптико-электронную систему, обеспечивающую построение цифровой трехмерной модели водной поверхности горной реки. Кроме того, предложенная измерительная система и метод построения цифровых объемных образов реальных объектов по их изображениям может найти реальное и эффективное применение при наблюдении ледоходов и сопутствующих им процессов.

1. Адаптивные фильтры. Пер. в англ./ Под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. М: Мир, 1988.392 с.

2. Арский Ю.А., Захаров Ю.В. и др. Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.

3. Бандман М.К., Ларина Н.И., Черевикина М.Ю. Территориально-производственные комплексы: планирование и управление. Новосибирск: Наука, 1984.

4. Вотяков Е. Интерактивное виртуальное моделирование //Вестник КрасГАСА, вып. 2,1999.

5. Вид В.Э. Фотографический метод определения расходов воды в открытых потоках // Труды третьего Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 8. Л.: Гидрометеоиздат, 1957,66-73 с.

6. Вид В.Э. О поплавково-интеграционных методах исследования открытого потока// Труды пятого Всесоюзного гидрологического съезда. Т. 3. Л.: Гидрометеоиздат, 1989,322-326 с.

7. Гранандер У. Лекции по теории образов. Т. Синтез образов// Пер. с англ. И. Гуревича, Т. Дадашева. М.: Мир, 1979.

8. Дмитриев И.Е. Информационно-измерительные комплексы для оценки и контроля состояния природных и природно-техногенных объектов визуальными методами // Труды ГИПЭ 2005.

9. Ю.Дмитриев И.Е. Оптико-электронные методы для наблюдения иконтроля состояния природных и природно-техногенных объектов // Сборник научных трудов. Вып. 85. Труды института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

10. Дмитриев И.Е. Информационно-измерительная система контроля радиоактивных выбросов в аварийных ситуациях // Трубы ГИПЭ -2005

11. Дмитриев И.Е. Измерительные оптико-электронные системы контроля состояния природных объектов // Использование и охрана природных ресурсов в России. Бюллетень № 6. 2006

12. Елохин А.П. Методы уточнения радиационных характеристик радиоактивного загрязнения окружающей среды при авариях на АЭС. Ядерные измерительно-информационные технологии. № 3 (11), 2004

13. Кольцов П.П., Прохоров В.В. Нейрообработка визуализированной информации. М: Наука, 1997 - 84 с.

14. Конушин A.C. Алгоритмы построения трехмерных компьютерных моделей реальных объектов для систем виртуальной реальности // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: 2005.

15. Конушин A.C. Система построения трехмерных моделей реальных объектов по последовательности изображений (Тезисы), с.ЗО, Москва, Ломоносов-2005

16. Лисицин Е., Конушин А., Вежневец В. Отслеживание точечных особенностей в видеопоследовательностях с изменениями резкости// Труды конференции Graphicon-2004. М.: 2004,233-236 с.

17. Минский М., Пайперт С. Перцептроны. М: Мир, 1971, 261 с.

18. Мальцев A.M., Толок A.B. Математическая модель визуализации динамического массива данных при построении трехмерных сцен// BicTHHK 3anopi3bKoro державного ушверситету, № 3,2002.

19. Науменко А.И., Пестов К.А. Современные методы обработка лазерно-локационных данных// Тезисы докладов. 5-ая Международная конференция «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра». М.: 2005.

20. Нежиховский Б.Р., Пестов С.Н. Состояние и перспективы разработки комплекса аппаратуры для измерения и регистрации уровня воды на гидрологических постах//. Труды пятого Всесоюзного гидрологического съезда. Том 3. Гидрометеоиздат, Л.: 1989.339-349 с.

21. Обоснование стратегий управления водными ресурсами// Под ред. В.И. Данилов-Данильян. М.: Научный мир, 2006. 336 с.

22. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. Л.:Гидрометеоиздат, 1991.

23. Прэтт У. Цифровая обработка изображения. Том 1 и 2 // Пер. с англ. М.: Мир, 1982.

24. Панченков А.Н. Энтропия. Н.Новгород: Издательсво общества «Интелсервис», 1999. 582 с.

25. Роджерс Д. Математические основы машинной графики. М: Мир, 2001.604 с.

26. Рис У.Г. Основы дистанционного зондирования. М.: Техносфера, 2006. 336 с.

27. Сенин M.А. Исследование и разработка алгоритмов визуализации деформируемых поверхностей в системах виртуального окружения: Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М.: 2004.

28. Б. Сергиенко. Алгоритмы адаптивной фильтрации: особенности реализации в MATLAB// EXPonenta,№ 1,2003.

29. Соловьев С.А., Марков Н.Г. Алгоритмы трехмерной визуализации данных: особенности реализации и анализ временной эффективности// EXPonenta, № 3-4 (7-8), 2004.

30. Степанов В.В. Научные открытия, изобретения и технологии в гидрометеорологии и смежных обоастях. СПб.: Наука, 2006.320 с.

31. Тарасевич Ю.Ю. Информационные технологии в математике. М.:СОЛОН-Пресс, 2003

32. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам // Пер. с англ. Ю.А. Данилова и A.B. Беркова. М.: КомКнига, 2005.248 с.

33. Зб.Чепурных Н.В., Новоселов А.Л. Инвестиционное проектирование в региональном природопользовании. М.: Наука, 1997.

34. Шелевицкий И.В. Интерполяционные сплайны в задачах цифровой обработки сигналов. // EXPonenta, 4 (4), 2004.

35. Ян Ф. и др. Удаленная визуализация // Открытые системы. № 11-12. -1999

36. А. Ignatenko, A. Konushin. A Framework for Depth Image-Based Modeling and Rendering. Proc. Graphicon-2003, pp. 169-172, Moscow, Russia, September 2003

37. SchenkT. Digital photogrammetry. TerraScience. 1999. 500p

38. Stollnitz E.J, Derose T.D., Salesin D.H. Wavelets for computer graphics. Theory and application. San Francisco, California: Morgan Kaufman Publishers,Inc.,1996.300p

39. Hudson T. Accelerated occlusion culling using shadow frustra // In Proc. 13th Annu. ACM Sympos. Comput. Geom., 1997. p. 1-10