автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Программное обеспечение компьютерного анализа геоизображений на основе данных дистанционного зондирования Земли

РТ6 од

I 3 «Ой

Российская Академия Наук ________Сибирское отделение

Институт географии

на правах рукописи УДК 681 3:528 93-911 2

КИТОВ Александр Данилович

Программное обеспечение компьютерного анализа геоизображений па основе данных дистанционного зондирования Земли

05.13 11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнялась в Институте географии СО РАН

Научный руководитель - д.г.н. ЧЕРКАШИН Александр Константинович Научный консультант - д.т.н. ТЯТЮШКИН Александр Иванович

Официальные оппоненты - д.т.н. В.П.Пяткин

к.т.н. И.В.Бычков

Ведущая организация - Институт вычислительных технологий СО РАН

Защита состоится « » д^сге'ХУл, 1998 г. в « I ^ » часов на заседании С ального Совета Д003.64.01 При Институте динамики систем и теории управ СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института динамики с; и теории управления СО РАН.

Автореферат разослан« » 1998г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, д. ф.-м.н.

Ю.Ф.С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

- Методы компьютерного анализа и синтеза (еоизоиражений природно-антропогенных

тлуаний получают псе большее распространение при решении научных, производственных п 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 !емли (ДДЗЗ) для решети экологических, медицинских, географических и других проблем.

Процесс визуально-количественного дешифрирования ДДЗЗ 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 Вычислительном 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 1СЗФ СО РАН, а также при обработке геоизображений с использованием ГИС-гехнологий в Институте географии СО РАН [22]. Отдельные задачи по анализу изобра-кетгй решаются в Институте космических исследований РАН. Работы но распознаванию >бразов ведутся в Институте математики и механики УО РАН. Активно разрабатываются фограммные средства ГИС в основном векторного типа в Институте географии РАН, подразделениях Роскартографии и других организациях. Несмотря на то, что при реали-¡ации ГИС-проектов все шире используются разнообразные пакеты программ для анализа дистанционных данных (ERDAS IMAGINE, ldiisi, MGK и т.п.), слабым звеном процесса дешифрирования остаются процедуры сегментации и содержательной интерпретации их результатов. Теоретическое развитие эти проблемы получили в новой науке - геоиконике, ) также в работах, посвященных методам полисистемного расслоения

Актуальность теоретических и прикладных исследований в области автоматизации дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли и создания ГИС-гехнологий определяется:

■ необходимостью оперативной обработки геоизображений при решении широкого круга жолого-гесчрафических задач,

потребностью в проведении вычислительных экспериментов с использованием геоизображений:

несовершенством методов получения знаний из геоизображений;

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 вычислительных 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 ДДЗЗ, 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 разтпгчных 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 различной 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 uei 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 конферек 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 конференци «Проблемы создания и совершенствования автоматизированных систем охраны трудг 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 конференцм «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 ваиия операций ИММ УО РАН, лаборатории математического обеспечения и обработю 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 прогаозиро 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 но темам РФФИ N 96-05-64727 «Геоинформациопные 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 геоизображений 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.

В Главе 1 развивается система понятий о ггоизображениях, раскрываются особенности и возможности отображения поверхности Земли с помощью дистанционных данных, формулируется проблема обработки геоизображений, рассматривается предметная область использования пакета программ ВОРС [1. 6]. Ставится задача получения знаний из гсоизображений путем интерпретации данных дистанционного зондирования и организация их в виде легенд карт. Рассматриваются методы анализа и синтеза геоизображений на основе принципов расслоения и специальных эвристических процедур [16].

П. 1 1 посвящен проблемам визуально-количественного анализа данных дистанционного зондирования Земли, в том числе, связанных с ГИС, а также методам дешифрирования геоизображений и технологиям решения ГИС-задач. При компьютерном дешифрировании геоизображений сегментация - наименее проработанный раздел в теории изображений. Она заключается в выделении объектов на изображении, измерении их параметров (признаков) и описании свойств объектов [2]. В работе определяется процесс подобного преобразования геоизображений и получения знаний методами их расслоения. Этот подход просматривается на всех этапах обработки, анализа и синтеза геоизображений, а также для представления технологии обработки геоизображений и пакета ВОРС [34].

Суть процедуры расслоения заключается в разбиении заданного множества (пространства расслоения X) на непересекающиеся подмножества {У»} путем сопоставления элементов множества X элементам Ь базы расслоения Ъ еВ. Обратное отображение превращает пространство расслоения в расслоенное пространство К={У{}. Эта процедура описывается коммутативной диаграммой вида

В ,

V V2 (!)

х_С_* у

где/: Х—^У - прямое отображение, или непосредственное преобразование геоизображения Хк виду У, которое при расслоении реализуется суперпозицией операций/=/°/2\ /\ '-Х-+В - расслоение геоизображения на базе В; В->У - сечение, т.е. получение расслоенного геоизображения. Результат процедуры расслоения подобен разбиению на классы эквивалентности или факторизации множеств, но всегда предполагает существование базы расслоения как эталона сравнения. Такой подход позволяет комплексно взглянуть на процесс дешифрирования как отображение экспериментальных данных (геоизображений) в виде системы различных объектов, математических функций, описывающих природные явления, набора данных и знаний, классификационных структур и т.п.

В работе И.Б.Гуревича и Ю.И.Журавлева (1990) процесс обработки изображений представлен обобщенной схемой:

Iе: 1-+Г; ТА: /'-V, (2)

где I - исходное изображение; Г - изображение, подготовленное для распознавания; г -распознанное изображение или регулярности, обнаруженные на наблюдаемом изображении; - преобразование формирования (изображение<->изображение); Т1 - преобразование распознавания (изображение <-» образ). Данный механизм рассматривался в качестве обобщающего алгебраического подхода при преобразованиях типа фильтрации помех и не развивался применительно к расслоению геоизображений.

В диссертации принципы расслоения применяются к геоизображениям путем формализации методов их преобразования в виде специальных процедур /1 и/2, математическое описание которых нетривиально и требует адекватной реализации в виде программных модулей. Это подразумевает формирование базы расслоения (БР), в картографии имеющей смысл легенды карты, раскрывающей содержание расслоенного геоизображения. Анализ всевозможных связей элементов БР как информационных сущностей дает возможность раскрыть новые связи между соответствующими слоями, что позволяет сделать процесс обработки геоизображений более наглядным и упорядоченным.

В п. 1.2 рассматривается процесс автоматизированной обработки геоизображений, состоящей из пяти структур данных и четырех основных блоков (этапов) [10]. Суть таких преобразований в терминах отображений представляют группы следующих операций.

Преобразование "изображение в изображение":

Р\- - дискретизация, квантование (расслоение на отдельные элементы и

уровни);

Рг- - предобработка (расслоение на полезный сигнал и помехи, геометриче-

ская и фотометрическая нормализации).

Анализ:

.Уь - сегментация (объектное расслоение - выделение контуров, векторизация;

типологическое расслоение - выделение тематических классов, условное раскрашивание, квантование);

У->У" - классификация (координатное расслоение - признаковое расслоение, распознавание образов).

Синтез:

интерпретация (системное расслоение - систематизация, формирование легенды к карте, разбиение но тематическим слоям в терминах прикладной задачи);

и*

Яр/.,

где а - формальное расслоение на базе В; (! - эвристическое расслоение с участием эксперта на базе классификационных единиц легенды карты /,; у - компоновка итоговой карты или системы целевых карт У1.

- визуализация (отображение результатов и исходных геоизображений на экран монитора, принтер и в виде другого физического представления);

- формирование атрибутивной базы данных и знаний.

В приведенных схемах р2 - операции преобразования; Яз - операции анализа, синтеза и получения знаний;/а(х,у) - аналоговое изображение; I, X У, У*. Г, А?

- дискретные растровые изображения; У* - дополнительно классифицированное; У1 - синтезированное и систематизированное; ЛУ - представленное в виде карты (может быть векторным); В - база расслоения; Ь - систематизированная база расслоения (легенда); В4 - атрибутивная база данных (знаний) реляционного типа; —> - отображение геоизображений и вспомогательных множеств.

Результирующий процесс преобразования матриц-изображений и получения тематических или целевых карт представляется формулой [16]:

у, к), С(и)), Я4; -> {Л/Ул ]),!,}, (3)

где 6" - некоторый оператор, т.е. упорядоченная последовательность преобразований набора изображений g(i, к), дополнительных графических данных С(Ц) (ранее полненные карты, приведенные к системе измерений /,у), данных наземных заверок и других формализованных описаний В1 (атрибутов). В результате обработки синтезируется серия цифровых карт К^О,]) и их легенд ¿, которые содержат как условные обозначения, так и сопроводительные базы данных - атрибутивную информацию.

Составление технологических цепочек обработки геоизображений 2т также рассматривается с позиций теории расслоения. Если совокупность всех методов (операций) решения прикладных задач составляет множество Лт методов, то отдельные независимые операции являются сечением этого множества на базе элементов Вт, отражающих сущность каждого метода. Отображение структуры о элементов базы а(5т) в Ут моделирует последовательность операций 2т при решении конкретной задачи:

^'т- Вт ^т ^т» '^т•

а{Вт)->Ут. (4)

В этом случае интерес представляет нахождение оптимальной структуры на Ут, обеспечивающей решение конкретных задач анализа геоизображений, и конструирование специального вида функций расслоения как объектов программирования.

В п. 1.3. дается математическая характеристика исходных данных для пакета ВОРС: это геоизображение первого рода (растровое), которое представлено в виде матрицы или |Ы|, где i=l,...,N- номер строки; j=\,...JM - номер столбца; к=\,...,К - номер спектрального канала; 0<йг,;<ята)! - значения пиксела с координатами (ij) на изображении; атах - максимальное значение, определяемое характеристиками аппаратуры и обычно равное 255. Матрица ||a,j|| моделирует некоторое панхроматическое изображение, либо может составлять часть (к-й слой) многоспектрального и/или цветного изображения. В результате обработки используются и формируются данные второго рода (векторные) и третьего (таблицы образов-векторов, текстовые описания и др.).

В Главе 2 рассматриваются метод оценочной комплексной классификации (МОКК), составляющие его алгоритмы, вспомогательные и сервисные процедуры дешифрирования геоизображений и их реализация в виде модулей пакета прикладных программ ВОРС. Проводится сравнение результатов обработки данных предлагаемыми методами и процедурами других пакетов. Описываются технологические приемы обработки геоизображений в соответствии с поставленными задачами [17].

В п.2.1 предложен и обоснован на конкретных примерах метод оценочной комплексной классификации (МОКК). Он представляет основной дешифрирующий блок пакета ВОРС и конвейерной технологии обработки геоизображений. Применение алгоритмов этого блока на разных этапах в сочетании с другими процедурами позволяет получить требуемые результаты. МОКК реализует модель автоматизированного дешифрирования (предобработка - классификация - синтез - постобработка) и состоит из алгоритма двойного параллелепипеда (АДП), алгоритма обобщенного синтеза (АОС), алгоритма вычисления оценочных структур (АВОС) и дополнительных процедур, включающих, например, ситуационный метод генерализующей фильтрации (МГФ).

АДП развивает эффективный метод параллелепипедной классификации до метода двойной параллелепипедной классификации за счет использования в качестве дополнительного критерия первой конечной разности значений пикселов. Этот метод сочетает в себе все признанные достоинства метода параллелепипедов (быстрота, простота, независимость от нормального распределения значений и др.) и позволяет сузить область классификации до истинных размеров класса (рис 1).

Канал 2

X

Границы класса классификации квантованием

\ X X К2_

X

Границы класса

_ параллелепипедной

классификации

Канал 1

Распознанные объекты, попавшие в обе ■ области и удовлетворяющие критерию для первой конечной разнос™

Объекты, принадлежащие одной из о классификаций, без учета значения первой конечной разности

X Нераспознанные объекты,

Рис. 1. Преимущества алгоритма АДП. Графическое представление сужения области класса для двух признаков в виде спектральных каналов 1 и 2.

Одной из эффективных программных реализаций АДП является режим, когда интервалы яркости элементов изображения и первой конечной разности (производной) связаны соотношением [15, 16]:

Ь0=т, при а"'т1П<^у<аг"'шач и а'0 <</"тах, а"'т|л= сГ'тах- сГ'т;„, сГ'т!1Х=сГ'тт+(Г'тю; (5) где Ь:] - результат классификации для пиксела с координатами у , а,у - исходное значение пиксела; а'ц - разность значений смежных пикселов по /; критерии: с{"тт и «"'шах - для значений пикселов и сГтт и - для значений конечной разности т=1,... где - число классов; при невыполнении условия (5) - Ьч =0 [15].

ДОС основывается на предложенной автором обобщающей формуле вычисления различных средних величин

.......

и к

+ К . (6)

где А, В - нормирующие множители, - индекс обращения равный 0 или 1 в зависимости от того берется позитивное или негативное изображение; с* - нормирующая константа; (Л - число уровней квантования для спектрального канала к (обычно ик=256); t - параметр, определяющий вид средней.

Расчеты по этой формуле дали хорошие практические результаты при решении задачи оценивания земель, а также при объединении результатов классификаций наземных объектов по данным отдельных спектральных зон в единое классифицированное изображение [16-20,28].

АВОС предназначен для экономической оценки земель на основе геоизображений. Он обеспечивает автоматический просмотр изображения в режиме "скользящего окна" и расчет в его границах характеристик сложности и нарушенное™ объектов. Сложность и отражает степень неоднородности, вычисляемую через коэффициент кривой ранговых распределений встречаемости пикселов в окне и соответствует категории ценности существования земли С. Нарушенность А1/ представляет отклонение и полученных распределений от теоретических значений 11о и определяет меру штрафа за нарушение Со. Общая оценка:

Сц=АС-ВС0, С = е~ки , С0 =(1-^')/* , (7)

где к - коэффициент (рассчитывается по специальной программе); А и В - экономические стоимостные параметры.

Алгоритм апробирован при оценивании сельскохозяйственных и лесных земель Кабанского района Республики Бурятия [18, 19,28].

В п. 2.2 рассматриваются вспомогательные и сервисные алгоритмы пакета ВОРС. Кроме оригинальных алгоритмов преобразования цветовых палитр, фотометрической и геометрической коррекции и МГФ предложен метод расслоения пиксельных значений на базе п, элементы которой соответствуют разрядам двоичного числа: а- ¿у, 2 (/=0,...,я-1),

и,—0 или 1. Это позволяет исследовать структуру геоизображения в каждом двоичном слое, выделить основное содержание в виде кольцевых образований, регулярных полос, избавиться от шумов, сократить объем данных и др. В пакете предложены и реализованы модели, позволяющие осуществлять расчет сезонных изменений геоизображений, находить корреляции между ДЦЗЗ и данными по заболеваемости населения и др. [1,2, 5, 16].

В п. 2.3. рассматривается конвейерная технология решения задач компьютерного ана лиза изображений. Выделяется два подхода: 1) исключительное применение на разны: этапах обработки алгоритмов ВОРС и 2) применение пакета ВОРС совместно с другим! программными средствами [10]. Поскольку не существует универсального пакета дт решения всех возможных прикладных задач анализа геоизображений, то необходим на бор пакетов. Для учета особенностей задачи, творческого коллектива и исследуемой тер ритории, предлагается создавать конвейеры (4) обработки информации, соответствующш основной поэтапной схеме (3). Ядро этого конвейера составляет комплекс ВОРС для спе циальных расчетов. При решении конкретной прикладной задачи формируется технологическая последовательность процедур обработки и соответствующих им программны? пакетов, например, представленная схемой на рис. 2.

Примеры процессов обработки

Подготовка, фильтрация и т.д Нанесение векторных данных Специальный анализ, ландшафтная оценка и др. Оформление результатов

Данные ДЗЗ

3Z

2Z

5Z

5Z

Компьютерное дешифрирование

^ ^ ^

ВОРС ERDAS,...

ArcView3, GeoDRAW

ВОРС

PhotoStyler ERDAS, ...

Карта, ГИС-про-ект

Примеры инструментального программного набора

Рис. 2. Технологический конвейер обработки геоизображений

В пакете ВОРС реализованы модули, демонстрирующие возможности пакета, работу отдельных технологических цепей и результаты решения эколого-географических задач. На основе предлагаемых ГИС-технологий выпущены и готовятся к публикации демонстрационные компакт-диски ГИС-«Селенга» и ГИС-«Ольхон» [20, 32, 35, 36].

Глава 3 посвящена технической организации пакета ВОРС. В ней рассматривается область приложения ВОРС, проводится классификация существующих ГИС-пакетов и сравнение функциональных особенностей ВОРС и ERDAS, а также представлены структура пакета ВОРС, назначение его составных частей, характеристики и функциональная схема пакета. Описываются приемы использования программных модулей и особенности интерфейса.

В п. 3.1 определяется предметная (прикладная) область применения пакета ВОРС, его место среди пакетов обработки и геоизображений и дается классификация решаемых задач. ВОРС - это пакет для обработки информации растрового типа для проведения вычислительных экспериментов при решении эколого-географических задач [9, 10, 34].

В п. 3.2. приводится сравнение пакета ВОРС с наиболее развитой зарубежной системой ERDAS. Главный алгоритм МОКК (5-7) пакета ВОРС и другие оригинальные алгоритмы показали лучшие результаты при решении задач сегментации и классификации, чем названная система.

В п. 3.3. даются основные характеристики пакета ВОРС и рассматривается его струк-урная и функциональная схемы [1, 6, 10, 16] (рис 3). Модулями пакета ВОРС являются [рограммные конструкции типа ЗИВНОиТГМР.. Пакет состоит из модулей нескольких ровней (1-й - организующая программа, 2-й - организующе-исполнительные программы, -й исполнительные программы). Уровневая классификация модулей представляет форму [ерархнческого расслоения пакета.

Задания

Диалог

Геоизобоажсния

Интерфейсный блок

Установка свойству Задание команд^

| Задание команд ^ Формирователь и файл

] * чаданий

Набор свойств объектов (адреса, параметры изображений и др.)

у Выбор

Набор входных директив

свойств и команд \ _

^Выполнение макропрограммы _±_

Блок выполнения заданий (модель процесса дешифрирования)

^ Формирование

Результаты обработки

результатов

Выбор модулей

Набор функциональных модулей, алгоритмы МОКК. Структура: Уровени - 2-3

Рис. 3. Функциональная схема пакета ВОРС

В п. 3.4 рассматриваются особенности подготовки и преобразования входных и вы-одных данных. Данные делятся на управляющие и обрабатываемые. К обрабатываемым анным относятся анализируемые и синтезируемые геоизображения растрового и вектор-юго типа и таблицы образов объектов в признаковом пространстве для классификации. К правляющим данным относятся параметры изображений, режимы их обработки, управ-яющие векторы, макрокоманды схемы работы. Входной язык управления пакетом зада-тся в интерактивном режиме последовательностью клавиш клавиатуры, комбинация ко-орых определена для разных модулей (Приложение 1).

Алгоритмическую основу пакета ВОРС составляют оригинальные процедуры дешифрования (МОКК). Он используется в целевых технологических конвейерах совместно с ругими ГИС-пакетами и позволяет эффективно и с меньшими трудозатратами решать рикладные задачи [31-37].

В Главе 4 демонстрируются полученные в виде карт результаты применения пакета ЮРС при решении эколого-географических задач. На примере характерной задачи оцени земель показаны возможности использования основных алгоритмов пакета и предла-аемой конвейерной системы обработки геоизображений. В п. 4.1 выделены основные классы решаемых прикладных задач: изучение урбанизированных территорий (влияние загрязнения на здоровье населения, ценка городской территории и территорий перспективного развития);

исследование территорий перспективною освоения (трассы газа- и нефтепроводов и ерритории месторождений);

ландшафтная оценка земель с позиций природоохранной, сельскохозяйственной и ле-охозяйственной ценности; природоохранное и рекреационное зонирование территорий; составление карт политики землепользования особо охраняемых территорий. В п. 4.2. демонстрируется применение пакета ВОРС на примере задач ландшафтной ценки земель (природоохранной, сельскохозяйственной и лесохозяйственной) [18, 19,

28]. В качестве иллюстраций приводятся полученные растровые карты. В результате применения алгоритмов МОКК была создана легенда к карте представляющая упорядоченную систему (базу расслоения) ценностных категорий земель.

В Заключении обобщены результаты разработки программного обеспечения комплексного анализа геоизображений и сформулированы основные выводы. Намечаются пути дальнейшего совершенствования пакета и проводимых прикладных исследований.

В приложение вынесены инструкция по использованию пакета ВОРС и список условных сокращений и глоссарий.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Алгоритмическое обеспечение и компьютерная конвейерная технология решения эко-лого-географических задач на основе геоизображений, представленных данными дистанционного зондирования Земли. На их базе создан пакет прикладных программ ВОРС (Видео-образо-распознающая система).

2. Реализация принципов расслоения геоизображений, эвристических подходов и схемы процесса автоматизированного дешифрирования дистанционных данных, что позволяет с единых позиций рассматривать пакет ВОРС в виде упорядоченного набора модулей, технологию как последовательность операций и расслоенные данные, описываемые легендой при решении эколого-географических задач.

3. Метод оценочной комбинированной классификации (МОКК), объединяющий в себе алгоритмы двойного параллелепипеда (АДП), вычисления оценочных структур (АВОС), обобщающего синтеза (АОС) и метод генерализующей фильтрации (МГФ); метод МОКК является основным блоком пакета ВОРС и конвейерной технологии обработки геоизображений.

4. Метод АДП, позволяющий улучшить распознающие свойства параллелепипедной классификации с учетом первой разности значений пикселов с сохранением всех преимуществ этого класса методов.

5. Метод АВОС, включающий специальные алгоригмы классификации и использующий особенности оценки земли на множестве пикселов геоизображения в виде характеристик изменчивости, сложности и нарушенности территории;

6. Алгоритм обобщающего синтеза геоизображений (АОС), позволяющий получать сложные хорошо дифференцированные образы пространственных объектов разного тематического содержания.

7. Вспомогательные и сервисные процедуры, позволяющие оперативно трансформировать, адаптировать, проводить статистический анализ и редактирование изображений методом генерализующей фильтрации (МГФ); методы и алгоритмы поэтапного отслеживания контуров, обеспечивающие выделение сложных объектов геоизображения (объектное расслоение) и классификацию элементов геоизображения по принципам типологического расслоения, алгоритмы равновеликого квантования по гистограмме, выравнивания функциональных зависимостей и др.

8. Демонстрационные программные модули, позволяющие представлять результаты анализа геоизображений в виде цифровых тематических карт с использованием ГИС-технологий.

9. Решение средствами пакета ВОРС в режиме вычислительного эксперимента прикладных задач, имеющих самостоятельное практическое значение.

К числу решенных прикладных задачи относятся следующие:

1. Дана характеристика зимнего загрязнения городов Иркутской области - Иркутска, Усть-Кута, Ангарска (совместно с сотрудниками Лаборатории аэрокосмических методов

исследования ИГ СО РАН: Т.И.Коноваловой,-В.С.Михеевым и др.). района Саянского-----

алюминиевого завода в Хакасии (совместно с А.И.Щетниковым) и КАТЭКа в Красноярском крае (совместно с А.А.Кошелезым- СЭИ СО РАН), выявлена структура и динамика ареалов загрязнения для определения качества окружающей среды и планирования природоохранной деятельности;

2. Дана оценка степени подтопления жилых районов г. Иркутска и поселков в дельте р.Селенги (Республика Бурятия) для оценки ущерба местным жителям от промышленного и дорожного строительства (по заданию НПФ "РЭП" и БРО по Байкалу);

3. Проведено водоохранное зонирование ландшафтного окружения южной части оз. Байкал с целью уто'тешга границ водоохранных зон ir разработки природоохранных мер Ан-гаро-Байкальским бассейновым управлением (по заданию НПФ "РЭП");

4. Выполнено ландшафтное обследование территорий перспективного освоения Дулись-минского, Верхне-Чонского и Кавыктинского газовых месторождений для составления ЗВОС и ОВОС разведки и эксплуатации скважин и строительства трассы газопровода Кавыкта - Ангарск, и дана оценка состояния окружающей среды в районах нефтегазоносных месторождений Западной Сибири (совместно с В.С.Михеевым по заданию "Русиа-петролиум");

5. Разработаны ГИС "Селенга" (ландшафтная структура территории, относительная оценка стоимости земель и их нарушенное™) и ГИС "Ольхон" (карта политики землепользования) для решения задач оптимизации налогообложения и нормирования хозяйственной деятельности в соответствии с существующей законодательной базой (совместно с В.С.Михеевым, А.К.Черкашиным, сотрудниками БРО по Байкалу, ESD Inc., USGS, Роскартографии и др.).

При решении задач были использованы материалы, подготовленные Центром медицинской экологии, Прибайкальским национальным парком, Комитетом по охране природы Иркутской области, НПФ "РЭП", Институтом географии СО РАН, Сибирским энергетическим институтом СО РАН и др.

Программная реализация и эксплуатация пакета и технологии подтвердила правильность предложенных для их построения решений. Различные версии пакета ВОРС внедрены в ряде организаций, а результаты обработки используются в Институте географии СО РАН и других организациях, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Изложенные в диссертации методические, алгоритмические и технологические основы применения пакета ВОРС могут найти применение в других проблемных областях для автоматизации обработки изображений. В настоящее время продолжается модернизация пакета и расширение его возможностей для решения задач землеведения. Интерес представляет развитие подхода с позиций методов расслоения в направлении выяснения сложных организующих структур баз расслоения разного содержания.

Преимуществом процедуры расслоения является возможность использования элементов базы расслоения не только для представления информации как расслоенного множества, но и для самостоятельной работы с элементами базы с целью анализа их связей, формирования структуры базы в виде классификаций и моделей процессов и т.д. Результаты такого анализа (новые знания) затем отображаются на исходный объект для интерпретации его свойств. Эти принципы и подходы, основанные на расслоении, предлагает-

ся использовать на всех этапах анализа и синтеза геоизображений от уровня представле'

ния данных до создания программных комплексов с расслоенной архитектурой и поэтап

ного расслоения технологии дешифрирования дистанционных данных.

Список опубликованных работ

1. Китов А Д. Общие принципы и язык сгруктурного описания образов системы ВОРС// Материалы VII-VIII конференций молодых специалистов СЭИ,- Иркутск. СЭИ СО СССР 1978,- с. 133-139.

2. Китов А Д. Комплекс программ классификации моногозональной видеоинформации// Материалы X конференции СЭИ. Деп.16 окт. 1980г. N4424-80, 8с.

3. Китов А.Д., Гусев А.Н. Программные исследования обработки визуальной информации методами Фурье//Материалы X конференции СЭИ. Деп.16 окт.1980г. N4424-80 - 8с.

4. Китов А.Д, Кошелев A.A., Степанова Т А., Гусев А Н. Оценка динамики задымленное™ при разработке схемы развития теплоснабжения города// Тезисы докл. Всесоюзной конф. "Энергетика и окружающая среда". - Минск, 1980.-C.32-34.

5. Китов А.Д. Перспективы автоматического анализа аэрокосмоснимков в системе мониторинга антропогенных изменений атмосферного воздуха// Исследование Земли из космоса -М.: Наука, 1981, N 2,-с.87-91.

6. Китов А.Д. Структура комплекса программ автоматизированного дешифрирования аэрокосмической информации// Аэрокосмические методы в географических исследованиях Сибири и Дальнего Востока. -Иркутск: ИГ СО АН СССР, 1981,-с.138-143.

7. Китов А.Д., Кошелев A.A., Гусев А.Н. Методика дешифрирования данных дистанционного зондирования задымленной атмосферы и использование ЭВМ// География и природные ресурсы, N 1, 1982,-с.114-122.

8. Китов А.Д., Кошелев A.A. Опыт применения ЭВМ для обработки данных оптического зондирования и расчета задымленной атмосферы// Проблемы создания и совершенствования автоматизированных систем охраны труда окружающей среды и здоровья населения промышленных городов (Часть II)- Ангарск, 1983,- с.60-62.

9. Китов А.Д., Хлопко Н С. Структура и состав технического обеспечения системы обработки изображений // Аэрокосмические и наземные исследования динамики природных процессов Сибири. - Иркутск, 1984,- с. 153-164

10. Китов А.Д. Возможности применения разнородного программного обеспечения анализа изображений для задач охраны окружающей среды// Методы комплексных аэрокосмических исследований Сибири,- Новосибирск: Наука, 1985 - с.62-69.

П. Китов А.Д, Кызлаков А.М., Меньшикова Т.О., Хлопко Н С. Развитие вычислительного комплекса СЭИ СО АН СССР // Перспективы развития и опыт эксплуатации высокопроизводительных вычислительных комплексов.-Днепропетровск: Из-во ДГУ, 1989,- с. 146-148.

12. Китов А.Д., Меньшикова Т.О., Хлопко Н С. Развитие технологии решения задач в неоднородной многомашинной вычислительной системе СЭИ // Проблемы повышения эффективности использования ЭВМ большой производительности. М.: Вычислительный центр АН СССР, 1989.-С.118-123.

13. Китов А.Д. Автоматизация дешифрирования снимков при решении некоторых экологических задач энергетики// Обработка изображений и дистанционные исследования. - Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1990,- с.122-123.

14. Китов А.Д., Михеев B.C. Космическая автоматизированная система пожаро-обнаружения и мониторинга лесов Иркутской области (Проект "Космолес")// Ресурсно-экологическое картирование на основе информационных технологий. Тезисы докл. V конференции по тематической картографии. - Иркутск: Институт географии СО РАН, 1993 - с.112-113.

5. Китов А.Д., Михеев B.C., Шеховцов А.И. Компьютерные карты нарушенное™ земного покрова на основе обработки космоснимков// Ресурсно-экологическое картографирование на основе информационных технологий - Иркутск, 1993 - с. 113-114. __________ ______________________

6. Китов А.Д. Программное обеспечение и метояьГкомпьютернои обработки материалов аэрокосмической съемки в географических исследованиях// География и природные ресурсы - N4, 1996, - с 158-170

7. Михеев B.C., Китов АД Разработка компьютерной технологии обеспечения ГИС региональных проектов// Материалы Международной конференции "Интеркарто2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды" (26-29 июня 1996г.) - Иркутск- ИГ СО РАН, 1996,-с. 147-152.

8. Михеев В С., Черкашин ЛИ., Китов АД Проблемы опенки земель с использованием дистанционных данных и ГИС-технологий// Материалы Международной конференции "Ии-теркарто2: ГИС для изучения и картографирования окружающей срсды"(2б-29 июня 1996г) - Иркутск: ИГ СО РАН, 1996-е I <2-154

9. Черкашин А К , Михеев В С., Китов АД. Количественные методы оценки земельных угодий на основе космической информации // География и природные ресурсы. - N2, 1996,.- с. 124-133.

0. ГИС Селенга. Комлексная ГИС района дельты р Селенга, озеро Байкал, Россия/ С Г.Шапхаев, П.П.Херн, В.И.Игнатович, Т.К.Цибжитов, Ф.К.Черкашин, В.С.Михеев, Ф.Д.Китов и др. - США - Россия: Геологическая служба США, Компакт-диск, изд. 2-е доп. 1997.

1. Грудинин Г.В., Коваленко С.Н., Китов А.Д., Трофимова Е.В., Найманова A.M., Заборцева Т.И.. Опыт комплексного геодинамического изучения современных речных долин Кудин-ской депрессии// Материалы и тезисы научней конференции «Гидрология и геоморфология речных систем». - Иркутск ИГ СО РАН, 1997.-е 177-179

2 Китов А Д Дистанционные данные - проблемы и будущее ГИС// Информационный Бюллетень - Москва ГИС-Ассоциация, 1997, N3 - с '.2

3 Китов АД, Коновалова ТИ, Ведерников В А., Макаров OA., Ненахова ЕВ Медико-экологическое зонирование городских территорий на основе космоснимков// Экология и городское хозяйство. Материалы научно-практической конференции Иркутск' СибЭкспо-Центр, 1997 -е 33-34.

4. Китов А Д . Коновалова Т И , Кузьменко Е И., Михеев В С , Трофимова И Е , Шеховцов А И Применение космических съемок в решении задач развития современного города// Экология и городское хозяйство. Материалы научно-практической конференции - Иркутск: СибЭкспоЦентр, 1997 -с 128-129

5 Коновалова T И , Михеев В С , Воробьева И Н , Кигов А Д , Трофимова И V., Шеховцов А И Дистанционные и наземные исследования геосистем// Классификация геосистем. Материалы к Международной научной конференции (Иркутск, 14-16 октября 1997 г.).- Иркутск: ИГ СО РАН, 1997,- с.38-39.

6. Планирование развития туризма на озере Байкал, участке мирового наследия ЮНПСКО Пределы допустимых изменений Программе мониторинга Проекты но планированию, стратегии и реализации/ Большаков А Г., Данилин ОЯ, Китов АД., Комиссарова Н.В., Ляпин А А., Рященко С.В., Савенкова Т.П. - Ольхон' ОАО "Улзы", 1997. - 22 с

7 Грудинин Г В., Коваленко С Н , Найманов А.М , Китов А Д, Трофимова Е В Результаты комплексного гсодинамического изучения современных речных долин Кудинской депрессии. // Ма!ериалы и тезисы юбилейной конференции «Проблемы геологии и освоения ми-нирально-сырьевых ресурсов Восточной Сибири». - Иркутск: ИГУ, 1998,- с.59-60.

8. Михеев B.C., Китов А.Д., Черкашин А.К. Методика оценивания лесных земель по космическим снимкам// Сибирский экологический журнал. - N 1, 1998 -с.85-91.

29. Коновалова Т.И., Михеев B.C., Трофимова И.Е., Китов А Д Изменение природной среды Приангарья (по материалам дистанционного зондирования Земли)/ Экологическое страхование: региональные особенности и международный опыт. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1998 - с.67-71.

30. Китов А.Д., Михеев B.C., Коновалова Т.Н., Шеховцов А.И. Изучение районов экологического риска по материалам дистанционного зондирования// Экологический риск: анализ, оценка, прогноз/ Материалы Всероссийской конференции. - Иркутск: ИГ СО РАН, 1998-с.130-131.

31. Михеев B.C., Китов А Д, Черкашин А.К. ГИС острова Ольхон: политика землепользования// ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий: Материалы Международной конференции (Барнаул, 1-4 июля 1998г.).- Барнаул: Издательство Алтайского госуниверситета, 1998,- с.547-557.

32. Херн П.П., Пламли Д Р., Шапхаев С.Г., Китов А.Д., Михеев B.C., Черкашин А.К. ГИС района дельты реки Селенги: содержание и структура// ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий: Материалы Международной конференции (Барнаул, 1-4 июля 1998г.).- Барнаул: Издательство Алтайского госуниверситета, 1998-с.502-509.

33. Mikheyev V.S., Cherkashin А.К., Kitov A.D. Land valuation technique with remote data and GIS-technologies usage // InterCarto 2: GIS for environmental studies and mapping. - Irkutsk-Moscow(Russia): Parker Sherwood, Inc., Ft. Collins, CO(USA), 1996,- p.62-63.

34. Mikheyev V.S., Kitov A.D. Development of computer technology of maintenance GIS of the regional projects II InterCarto 2: GIS for environmental studies and mapping. Irkutsk-Moscow(Russia): Parker Sherwood, Inc., Ft. Collins, CO(USA), 1996,- p. 162-164.

35. Selenga GIS. A Comprehensive GIS of the Selenga River and Dalta, Lake Baikal, Russia./ S.G.Shaphaev, P.P.Heam, V.I.Ignatovich, T.K.Tsibzhitov, A.K.Cherkashin, V.S.Mikheyev, A.D.Kitov and other. CD beta release 1, September. - USA-Russia: U.S. Geological Survey.-1997.

36. Selenga GIS: A Geographic Information System for the Region of the Selenga River and Delta, Lake Baikal/ S.G.Shaphaev, P.P.Heam, V.I.Ignatovich, T.K.Tsibzhitov, A.K.Cherkashin, V.S.Mikheyev, A.D.Kitov and other. CD beta release 3 for Windows 95/NT, February. - USA-Russia: U.S. Geological Survey, 1998.

37. The Baikal Prototype: Indicia for Global Ecological, Economic and Cultural Cooperation in the New Millenium/ L.Freer, D.R.Plumley, S.G.Shapkhaev, B.Michailov, V.Ignatovich, K.Tuluev, A.Suknyev, S.Moronov, G.Agafonov, L.Sigaeva, S.Grudinin, A.Cherkashin, V.Mikheev, A.Kitov// International Conference "Baikal as a World natural heritage site: Results and Prospects of International Cooperation - Ulan-Ude, Russia, September 9-12, 1998,- c.30.

Подписано в печать 2.11.1998г. Формат 60X80 1/16 Заказ N3. Бумага писчая Тираж 100 экз. Отпечатано в ИГ СО РАН, г.Иркутск, 664033, ул.Уланбаторская, )



л

Российская Академия Наук Сибирское отделение Институт географии

на правах рукописи УДК 681.3:528.93:911.2

КИТОВ Александр Данилович

Программное обеспечение компьютерного анализа геоизображений на основе данных дистанционного

зондирования Земли

05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.г.н. ЧЕРКАШИН Александр Константинович

Научный консультант д.т.н. ТЯТЮШКИН Александр Иванович

Иркутск -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................3

ГЛАВА 1. Задачи автоматизированного дешифрирования геоизображений.13

1.1. Проблемы визуально-количественного анализа данных дистанционного зондирования Земли......................................................................13

1.2. Этапы процесса автоматизированного дешифрирования.......................23

1.3. Математическая характеристика используемых данных.......................31

ГЛАВА 2. Алгоритмы дешифрирования геоизображений пакета ВОРС.......35

2.1. Метод оценочной комплексной классификации (МОКК)......................35

2.2. Вспомогательные алгоритмы пакета ВОРС........................................53

2.3. Технологические конвейеры решения геоинформационных задач..........59

ГЛАВА 3. Организация и использование пакета ВОРС.............................65

3.1. Предметная область применения пакета ВОРС..................................65

3.2. Сравнительные характеристики пакета ВОРС...................................67

3.3. Основные характеристики пакета ВОРС. Структура и функции............72

3.4. Функциональная схема комплексной работы....................................80

3.5. Подготовка и преобразования входных и выходных данных.................82

ГЛАВА 4. Решение практических геоинформационных задач.....................85

4.1. Классы решаемых прикладных задач..............................................85

4.2. Применение пакета ВОРС для решения задач ландшафтной оценки земель..........................................................................................86

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................96

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................116

Приложение 1. Инструкция по использованию пакета ВОРС.......................116

Приложение 2. Список условных сокращений и глоссарий..........................123

ВВЕДЕНИЕ

Методы компьютерного анализа и синтеза геоизображений природно-антропогенных ситуаций получают все большее распространение при решении научных, производственных и социально-экономических задач. Это связано с тенденцией компьютеризации общества, развитием в последние 5-7 лет геоинформационных систем (ГИС) и внедрением новых видов цифровых материалов на основе данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ) для решения экологических, медицинских, географических и других проблем.

Процесс визуально-количественного дешифрирования ДДЗЗ представляет последовательность отображений и преобразований изображений в виде предварительной обработки, сегментации, классификации, интерпретации и представления результатов пользователю, которые обеспечиваются соответствующими программными средствами.

Направления решения проблемы. В Иркутском научном центре проблемы анализа геоизображений начинали решаться в Сибирском энергетическом институте СО РАН на базе БЭСМ-6. Большое влияние на развитие методов автоматизированной обработки геоизображений оказали работы, проводимые на Вычислительном Центре СО РАН, где был созданы методы, программы и аппаратный комплекс обработки аэрокосмоизображений. Эти методы продолжают развиваться на новой инструментальной и программной основе ПВМ и ГИС-технологий в ОИГГГМ СО РАН, ИВТ СО РАН и др. Они получили продолжение при создании единой информационной сети на основе ГИС-центра ИДСТУ СО РАН, позволяющей получать спутниковые данные ^ТОАА с сервера приемной станции ИСЗФ СО РАН, а также при обработке геоизображений с использованием ГИС-технологий в Институте географии СО РАН [Китов, 1997]. Отдельные задачи по анализу изображений решаются в Институте космических исследований РАН. Работы по распознаванию образов ведутся в Институте математики и механики УО РАН. Активно разрабатываются программные средства ГИС в основном век-

торного типа в Институте географии РАН, подразделениях Роскартографии и других организациях. Несмотря на то, что при реализации ГИС-проектов все шире используются разнообразные пакеты программ для анализа дистанционных данных (ERDAS IMAGINE, Idrisi, MGE и т.п.), слабым звеном процесса дешифрирования остаются процедуры сегментации и содержательной интерпретации их результатов. Теоретическое развитие эти проблемы получили в новой науке -геоиконике, а также в работах, посвященных методам полисистемного расслоения.

Актуальность теоретических и прикладных исследований в области автоматизации дешифрирования данных дистанционного зондирования Земли и создания ГИС-технологий определяется:

- необходимостью оперативной обработки геоизображений при решении широкого круга эколого-географических задач;

- потребностью в проведении вычислительных экспериментов с использованием геоизображений;

- несовершенством методов получения знаний из геоизображений;

- необходимостью решения задач оценки территорий по дистанционным данным для 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 геоизо-

бражений, что обеспечивает 1) визуальную оценку качества дешифрирования снимков, 2) количественную обработку результатов измерений характеристик геоизображений и 3) проведение вычислительных 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 разработанного пакета 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 экономические 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 позволили 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 автоматизированного дешифрирования ДДЗЗ, 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 тематических 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 различной 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, Ресурс-О, Ландсат-МСС, Ландсат-ТМ, НОАА, аэроснимки АФА и МКФ-6М), исследованы различные компьютерные методы обработки изображений и предложены новые алгоритмы и технологии, дан анализ ландшафтной структуры и экологического состояния отдельных территорий Байкальского региона. Результаты демонстрировались на встрече 1996 г. участников постоянной межправительственной комиссии «Черномырдин-Гор», посвященной проблемам озера Байкал. Подготовленные для этой встречи цифровые карты включены в компакт-диск «Selenga».

Итоговые картографические материалы и ГИС-проекты используются Государственным комитетом по охране окружающей среды Иркутской области, Региональным центром медицинской экологии, Байкальским региональным отделением Республики Бурятия, Бурятским технологическим университетом, Компанией Русиапетролиум, Сибирской экологической компанией, Научно-производственной фирмой «Региональное экологическое прогнозирование» и др.

Апробация работы. Результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждались на VII-VIII, X Конференциях СЭИ СО РАН (Иркутск, 1978-1980), Всесоюзной конференции «Энергетика и окружающая среда» (Минск, 1980), Научных сессиях Научно-координационного совета по проблеме «Аэрокосмические исследования природных ресурсов» (Новосибирск, 1979, 1985, 1986), Региональ-

ных конференциях ИГ СО РАН «Аэрокосмические методы в географических исследованиях Сибири и Дальнего Востока» (Иркутск, 1981) и «Аэрокосмические и наземные исследования динамики природных процессов Сибири» (Иркутск, 1984), Региональной научно-практической конференции «Проблемы создания и совершенствования автоматизированных систем охраны труда, окружающей среды и здоровья населения промышленных городов» (Ангарск, 1983), Всесоюзных конференциях ОИДИ (Новосибирск, 1990, 1992), V Научной конференции «Ресурсно-экологическое картографирование на основе информационных технологий» (Иркутск, 1993), IX Всероссийской Байкальской школе-семинаре «Региональные последствия глобальных изменений климата и загрязнения природной среды» (Байкальск,1995), Международной конференции «Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды» (Иркутск, 1996), Научно-практической конференции «Экология и городское хозяйство» (Иркутск, май,1997), Международной научной конференции «Классификация геосистем» (Иркутск, октябрь, 1997), Научно-практической конференции «Проблемы природопользования в Байкальском регионе» (Иркутск, декабрь, 1997), Международной конференции "ГИС для оптимизации природопользования в целях устойчивого развития территорий (Барнаул, июль, 1998), Международной конференции "Baikal as aWorld Natural Heritage Site (Улан-Удэ, сентябрь 1998), Всероссийской конференции "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 энергетического института СО РАН, СКБ научного приборостроения СО РАН, Отдела исследования операций ИММ УО РАН, лаборатории математического обеспечения и обработки изображений ВЦ СО РАН и др.

Пакет ВОРС был передан для использования в Институт математики и механики УО РАН, Вычислительный центр СО РАН, Бурятское региональное объе-

динение по Байкалу (БРО), Научно-производственное предприятие "Региональное экологическое прогнозирование" и Региональный Центр медицинской экологии ВСФ РАМН.

Публикации. Автором опубликовано 37 работ. Из публикаций, подготовленные в соавторстве, в диссертацию включены результаты, полученные лично автором. Выполненные 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.Черкашин) 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 научно-исследовательской работе 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 бол