автореферат диссертации по геодезии, 05.24.02, диссертация на тему:Разработка методов создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И .КАРТОГРАФИИ

' На правах рукописи

ОСТАПЕНКО ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ БАНКОВ ВИДЕОДАННЫХ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

"05.24.02 аэрокосмические съемки,

фотограмметрия, фототопография

Автореферат1 диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии

Научный руководитель:

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Кандидат технических наук, доцент Лонский И.И.

Доктор технических наук, профессор Бондур В.Г.

Доктор технических наук, доцент Черний А.Н.

Кандидат технических наук, 'главный специалист Чугреев И.Г.

Ведущая организация:

Институт Космических Исследований

Защита состоится г^А^¿¿¿¿¿^ 1993 г.

в-^ Ч

на заседании Специализированного Совета~*К 063.01.02 в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии.по адресу: 103064, г.Москва, Гороховский пер., д.4.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке МГУ ГиК. Автореферат разослан 1993 г.

, / Ученый секретарь ^

^ "Специализированного Совета ¿¿„¿.¿'¿' Б.В. Краснопевцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сложившаяйя в настоящее время тяжелая экологическая ситуация на планете требует ускорения внедрения в практику самых новейших научно-технических достижений в области охраны природа, контроля состояния окружающей среды и рационального природопользования.

Сложность решения проблемы экологического мониторинга приводит к необходимости использования' сложных информационно-управлящих систем. Эффективность эксплуатации космических средств дистанционного зондирования Земли обусловлена большой обзорностью,многоспектральностью и периодичностью информации ■ с возможностью получения данных в труднодоступных районах Земного шара. Но обработка огромных объемов космической информации об окружащей среде требует использования автоматизированных систем накопления, хранения, оценки характеристик объектов контроля, прогноза их изменений и быстрой выдачи -информации потребителям в требуемых формах и представлениях, т.е. банков данных. В настоящее время практически вся информация в ультрафиолетовом, .инфракрасном, радио- и видалом диапазонах и других зонах спектра представляется в виде изображений. Таким образом, возникает необходимость разработки автоматизированных систем, ■которые получили название банков видеоданных.

Создание банков видеоданных/является относительно молодым направлением. Только в конце семидесятых годов нашего^столетия исследователи, реиапцие задачи обработки больших массивов видеоинформации, начали искать новые более сложные нетрадиционные подходы к организации таких банкоз. Они требуют решения многих специфических задач, связанных с разработнов методов создания: методов представления изображений, методой сжатия изображений, способов организации и манипулирования информацией.Проектирование более гибких банков видеоданных о сравнению с универсальными, в основном, определяется их узкой предметной ориентацией на решение поставленных задач. Следовательно, при разработке этих методов для автоматизированных систем, обеспечивающих космический экологический мониторинг, должны учитываться особенное-' ти изображений экологических объектов (структура,изображения, динамика развития, пространственная структура организации,пространственные размеры, большая информационная избыточность и

т.д.] и основные задачи космического экологического мониторинга анализ, контроль и прогноз . В настоящее время существует много работ,посвященных исследованию объектов экологического мониторинга. Однако, использование знаний, накопленных в' данном направлении, ведется не в полной мере и не систематизированно, что приводит к значительным трудовым и временным затратам, не позволяющим получать оперативную информацию, например, карты, схемы о сложившейся экологической ситуации. Качественные и количественные закономерности влияния особенностей космического экологического мониторинга на организацию таких банков достаточно сложны и не полностью изучены, что сдерживает их развитие. Поэтому диссертационная работа, посвященная разработке методов создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга, представляется актуальной.

Целью настоящей работы является разработка методов и алгоритмов представления изображений объектов контроля, сжатия и способов организации информации и манипулирования ею в банках видеоданных для космического экологического мониторинга, обеспечивающих высокую эффективность,' оперативность и производительность работы пользователя. Для достижения этой цели необходимо г

- выбрать характерные объекты космического' экологическо-■ го мониторинга;

- провести исследования специфики объектов- контроля, проанализировать статистические особенности пространственных характеристик изображений экологических объектов и возможностей технических средств космических систем дистанционного зондирования Земли;

- оценить информационную ёмкость хранимых изображений,, полученных в результате космического экологического мониторинга;

- классифицировать пришаки космических изображений экологических объектов;

- исследовать пути адекватного описания и хранения видеоданных;

- разработать требования к методам создания банков видеоданных;.

- разработать концептуальную модель банка видеоданных;

- разработать принципы технологии функционирования банков видеоданных.

Методы исследования, применяемые в настоящей работе,основаны на использовании методов математической статистики, теории распознавания образов, методов аналитического трансформирования изображений, методов синтеза изображений, теории информации, законов зрительного восприятия и других видов информации.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

- на основании анализа статистических данных о пространственных характеристиках объектов контроля ( зон острых экологических ситуаций, территорий заповедников и заказников) , а также информационных характеристик космических изображений, разработаны требования к методам создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга;

- предложен реляционный алгоритм реализации каталога банка видеоданных, основанный на модели сопутствующей информации, использующей классификацию признаков космических изображений экологических объектов, представленных реализацией случайного процесса;

- разработан многоуровневый гибридный позиционный метод представления изображений экологических объектов, основанный на интеграции преимуществ позиционных и параметрических представлений, заключающийся в представлении изображений усеченной пирамидой с четырьмя уровнями иерархии, учитывающей специфику экологического мониторинга;

- предложен цифровой метод сжатия-восстановления черно-белых полутоновых изображений с постоянной длиной кодового слова с сокращением информационной избыточности, описывающий космическое, изображение возможно минимальной кодовой комбинацией двоичных цифр на блок;

- разработан цифровой гибридный адаптивный метод сжатия-восстановления черно-белых полутоновых изображений с переменной длиной кодового слова с сокращениеч информационной избыточности, который в отличие от метода с постоянной длиной'кодового слова, учитывает характер изображения и позволяет перекодировать кодовые слова в слова меньшей размерности без .потерь;

- предложена концептуальная модель банка вицеодарных для космического экологического мониторинга,' заключающаяся в тесной взаимосвязи модели гибридного позиционного представления

и модели сопутствующей информации и на ее основе разработана информационная технология банка видеоданных.

Практическая ценность. Разработан пакет программ для компьютеров типа IBM PC АТ, реализующий ш1горитмы гибридного позиционного метода представления изображений экологических объектов, цифрового метода сжатия-сосстйновления с постоянной длиной кодового слова, цифрового гибридного адаптивного метода сжатия-восстановления с переменной длиной кодового слова и каталога банка видеоданных.

Результаты, полученные в диссертационной работе,пользовались:

- при создании банков видеоданных в ЦНИИ "Комета" по темам "Сияние-Г", "Система ДЗЗ-2005", "Комета-ДЗЗ", а также в работах по договору № 380/1390 от 8.05.90 г.;

- при разработке учебных программ в МГУ ГиК по темам № 105 г/б и № ИЗ г/б.

Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались:

- на Международной конференции "Проблемы графической технологии", г.Севастополь, 1991 г.;

- Всесоюзной конференции "Контроль, надежность и качество изделий электронной техники (ТОТ) ", г.Севастополь, 1991 г.;

- Всесоюзной конференции "Автоматизация картографирования? г.Киев, 1991 г.;

- конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, г.Москва, 1991 г.;

- Всесоюзной конференции "Приборы и информационные технологии контроля и диагностики экологического состояния окружающей среды", г.Севастополь, 1992 г.;

- Международной конференции "Высокие технологии в машино-и приборостроении", г.Саратов, Г993 г.

Публикации. Основное удержание диссертационной работы опубликовано в 5 печатных работах и 5 научно-технических отчетах. "

Структура и объем диссертационной работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения. Диссертация изложена на 148 страницах основного текста, содержит 22. рисунка и 22 • таблиц.Библиография включает 142 наименования на 14 страницах.Общий объем работы 217 страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность работы, формулируются основные задачи решаемых проблем, приводится общая характеристика работы.

В первой главе работы рассмотрена организация современных банков видеоданных, проведен анализ возможных путей их построения, обосновывается роль и место таких банков в космическом экологическом мониторинге, формулируются пути развития и совершенствования методов создания банков видеоданных.

Обзор современных банков видеоданных показал, что это,как правило, предметноориентированные автоматизированные системы и, следовательно, использование их для решения задач космического экологического мониторинга не эффективно. Космический экологический мониторинг окружающей среды предусматривает контроль, анализ и прогноз экологических ситуаций с использованием космических систем дистанционного зондирования Земли, функционирующих на разных пространственных уровнях: глобальном, региональном и локальном, а также наземных пунктов.сбора и обработки полученной информации. Таким образом, для проектирования гибких банков видеоданных для космического экологического мониторинга должен быть решен ряд основных проблем, связанных с необходимостью организации горизонтальной сети банков видеоданных,решающих экологические задачи на разных масштабных уровнях, т.е. на уровнях планеты, континентов, стран, -республик, краев, областей и населенных пунктов, реализованных на каждом пункте приема космической информации, а также с разработкой методов представления, ожатия-восстановления изображений, способов организации информации и манипулирования ею, учитывающих особенности космического экологического мониторинга и космической информации об экологических ситуациях.

Показано, что среди существующих трех основных подходов к построению банков видеоданных: от стандартных систем управления, от автоматизированных систем обработк : изображений АСОИз и от предметной области, наиболее рациональным и эффективным для разработчиков^ стоящих на начальной стадии создания банков видеоданных, является путь построения от систем управления и предметной -области. Он требует минимальных трудовых й временных затрат и позволяет большее время уделить разработке гибкой системы. Такой подход позволяет реализовать функции хранения и. поиска ин-

формации, как видеоданных, так и их признаков, в единой модели, где оперативность работы будет определяться быстродействием выбранной системы, например, для существующих систем время доступа к хранимым данным порядка 0,5 ...I сек.

Анализ использования методов представления изображений в банках видеоданных для повышения оперативности и экономии памяти показал, что применяются все типы методов: позиционные, структурные и комбинированные, но, как правило, среди позиционных большую популярность получили матричные и пирамидально-рекурсивные, а среди структурных - контурные С наборы-векторов и параметрические). В системах обработки дистанционных данных и картографических системах наиболее важными методами представлений являются позиционные (матричные, пирамидальные и древовидные ) для полутоновых изображений и структурные (контурные) для картографических документов. Результаты проведенной оценки соответствия методов представления основным требованиям, таким как экономное хранение, удобный доступ к объектам и фрагментам, быстрая визуализация, быстрые глобальные и локальные операции, позволили сделать следующие выводы:

- ни один из методов не удовлетворяет всем требованиям;

- необходимость узкой ориентации методов на эффективное выполнение каких-либо определенных операций, например,выделение объекта, классификация я т.п. , что может достигаться только разработкой соответствующего гибридного позиционного метода представления изображений и введением в структуру дополнительной информации, обеспечивающей более эффективное выполнение операций обработки.

Решением проблемы компактного хранения изображений в банках видеоданных является использование цифровых методов сжатия-восстановления для последующей обработки полутоновых черно-белых изображений наряду с методами представления изображений. Проведенный анализ данных методов по основным критериям эффективности (количество бит на элемент и нормируемая среднеквадра-тическая ошибка восстанови зния НСКО)показал, что преимущества имеют гибридные над негибридными методами, адаптивные над неадаптивными, с сокращением информационной избыточности над методами без неё, и достигается уровень качества 0,1...4 Однако, было установлено, что сейчас среди указанных методов наибольшее практическое применение нашли методы без сокращения информационной избыточности ( длин серий и статистические ) , реализо-

ванные в стандартных форматах типаРСХгТ1РР с коэффициен-

тами сжатия и количеством бит на элемент, зависящими от характера изображений. Но для многоградационных космических полутоновых черно-белых изображений с большим количеством пикселей сжатие данными методами составляет порядка 50 процентов С 2:1),что является недостаточным для хранения таких больших информационных объёмов . Поэтому возникает задача разработки более эффективных гибридных адаптивных методов сжатия-восстановления с сокращением информационной избыточности путем регулирования уровня потерь.

Таким образом, перспективными направлениями совершенствования и развития методов создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга являются подходы: гибридный позиционный к методам представления изображений, гибридный адаптивный с сокращением информационной избыточности к методам сжатия-восстановления черно-белых полутоновых изображений и интегрированный от стандартных систем управления и предметной области с.реализацией функций хранения и поиска к способу построения банков видеоданных.

Вторая глава посвящена разработке требований к методам создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга, и включает в себя выбор и исследование объектов космического мониторинга, оценку информационной емкости хранимых изображений, характеристику видеоданных, сформированных разными типами дистанционной аппаратуры, и исследование путей адекватного описания и хранения изображений экологических объектов.

На основе анализа совокупности возможных объектов экологического мониторинга установлено, что наиболее существенное влия- • ние на экологический баланс в природе оказывают два класса образований, таких как зоны острых экологических ситуаций, территории заповедников и заказников , наличие которых является деста-билизирувдими и стабилизирующими показателями экологического равновесия соответственна. Зонами острых экологических ситуаций принято называть районы, в пределах кс.'орых изменившееся и ухудшившееся состояние природной среды начинает угрожать здоровью человека, или существенно подорванной оказывается естественно-ресурсная база производства, или сильно нарушены и уничтожены природные ландшафты. Под заповедниками следует понимать территории, типичные или уникальные для данной ландшафтной зоны со всей

совокупностью их компонентов, образованные с целью сохранения их в естественном состоянии, навечно изъятые из хозяйственной эксплуатации. Заказники представляют собой территории, выделяемые с целью сохранения, воспроизводства, восстановления отдельных или нескольких компонентов природы и поддержания общего экологического баланса с ограничением хозяйственного использования. Таким образом, обосновано, что в качестве объектов космического экологического мониторинга можно рассматривать зоны острых экологических ситуаций и территории заповедников , заказников .

В результате статистического исследования пространственных характеристик экологических объектов с использованием карг на территорию СНГ "Наиболее острых экологических ситуаций" масштаба 1:8000000 и "Атласа мира" более крупных масштабов выявлено, что средние пространственные размеры для зон острых экологичес-. ких ситуаций составляют порядка 300 км., а для территорий заповедников , заказников - порядка 60 км,, а также установлены отличительные особенности рассматриваемых объектов: площадной характер изображения; комплексный характер; неодноррдная структура изображения; возможность частых случаев неоднозначного интерпретирования при распознавании образов по определенным предикатам однородности.

Сопоставительный анализ результатов статистической оценки пространственных характеристик экологических объектов, технических возможностей аппаратуры космических систем дистанционного зондирования Земли, многоспектрального характера космической видеоинформации, периодичности дистанционного зондирования и форматов ввода изображений обнаружил, что теоретически возмож- • ный объем хранимых экологических видеоданных составляет порядка 3'10э ... VIO13 бит/год, что вызывает необходимость использования рациональных и эффективных методов представления и сжатия космической видеоинформации, новейших ёмких запоминающих устройств, оперативных устройств ввода-вывода информации и вычислительных машин.

Выявлена трехуровневая организация изображений экологических объектов для. космического экологического мониторинга регионального масштаба, включающая в себя региональный, локальные и уровни значимых объектов. Она позволяет определить иерархическую структуру сопутствувдей информации банка видеоданных и значения идентифицирующих, семантических и синтаксических признаков с использованием классификации, основанной на представлении кос-

- II -—*

мического изображения Гя реализацией случайного процесса:

а)

где X - поле информативных признаков, а ^ - вектор условий, которые описываются в виде линейных комбинаций условных распределений информативных признаков изображений экологических объектов с весами, соответствующими вероятностям их наблюдения в зависимости от факторов условий, включающих условия, съемки,данные о средствах дистанционного зондирования, об объектах контроля, о параметрах синтеза, справочной и служебной информации.

В результате исследования путей адекватного описания и' хранения изображений экологических объектов установлено, что:

- наиболее рациональной моделью описания структуры сопутствующей информации при интегрированном подходе к построению банков видеоданных от стандартных систем управления и предметной области с учетом трех основных критериев (четкое разделение концепций, симметрия, неизбыточность и прочная теоретичес- ■ кая основа) , а также простоты интерпретации пользователем, является реляционная модель,.по сравнению с сетевой и иерархической;

- математический фундамент гибридного позиционного подхода к методу представления экологических объектов в банках видеоданных должен учитывать теорию аналитического трансформирования изображений в заданную картографическую проекцию,методы логических операций над видеоданными, математической статистики и синтеза ( метод фазового спектра, разработанный в ЦНИИ -"Комета", основанный на информации о двумерных пространственно-частотных спектрах мощностей полей яркости подстилающей поверхности л плотности распределения фаз, позволяющий синтезировать изображения по заданным йараметрическим описаниям (аналитической аппроксимации) пространственного энергетического спектра

и матрице случайных чисел фазового спектра) .

На основе проведенных обзора, анализа и исследований сформулированы основные требования к методам создания банков видеоданных для космического экологическое мониторинга, которые • приведены ниже.

Методы представления изображений экологических .объектов должны удовлетворять следующим условиям: минимизация требуемой ■памяти; быстрая визуализация представления; быстрый1 и удобный доступ к значимым экологическим объектам и фрагментам; быстрые

локальные и глобальные операции по обработке изображений; время структурирования должно стремиться к минимальному; решение основных задач анализа, контроля и прогноза состояния объектов; учет специфики объектов контроля.

Методы сжатия-восстановления черно-белых полутоновых космических изображений экологических объектов должны обеспечивать: достижение коэффициента сжатия много большего 2 раз; НСКО воспроизведения не более 0,1...4 %; быстродействие восстановления в зависимости от объема обрабатываемых изображений; возможность регулирования уровня потерь под решение разного класса экологических задач.

Для выбора реляционной системы управления данными, организации каталога и функционирования банка видеоданных необходимо реализовать следующие требования: система управления данными должна выбираться с учетом'занимаемого информационного объема, например, оперативной памяти ПЭВМ; высокую оперативность работы каталога, т.е. доступ к хранимой сопутствующей ' информации порядка 0,5 ... I сек.; разделение информационной памяти банка видеоданных на оперативную и неоперативную; наличие интерфейса высокого уровня каталога и архива изображений банка видеоданных; долговременное хранение программного обеспечения, каталога и архива банка видеоданных запоминающими устройствами; многократное использование хранимой информации; простота и легкость восприятия пользователем информации при работе с внешней моделью каталога; автоматическую реорганизацию хранимых данных без изменения логической модели банка; запоминающие устройства и способы физического хранения должны 'изменяться без перезаписи прикладных программ; систематическое обновление и пополнение каталога и архива изображений; поддержку каталога банка видеоданных; защиту от несанкционированного доступа к информации; надежность функционирования всей системы в целом.

В третьей главе прш едены алгоритмы разработанных методов создания банков видеоданных для космического экологического мониторинга: гибридного позиционного метода представления изображений экологических объектов, цифровых методов сжатия-восстановления черно-белых полутоновых изображений с постоянной длиной и с переменной длиной кодовых слов с сокращением информационной избыточности путем регулирования уровня потерь.

Разработанный гибридный позиционный метод представления

изображений экологических объектов основан на интеграции преимуществ позиционных и параметрических представлений, заключающийся в представлении изображений усеченной пирамидой с четырьмя уровнями иерархии. Он решает основную специфическую проблему при распо;чавании и выделении экологически* объектов на космических изображениях, которая связана с большой вероятностью возникновения ситуаций неоднозначного интерпретирования, используя периодически уточш^^ю экологическую карту в процессе непосредственной автоматизированной обработки. Гибридное позиционное представление видеоданных позволяет изучать экологическую ситуацию на региональном, локальном,уровнях значимых объектов и решать задачи анализа, контроля и прогноза обстановки. В качестве исходных цифровых изображений приняты: экологическая карта административной области, например, в проекции Гаусса,■ космические полутоновые изображения регионального и локального масштабов (высокого разрешения) в разных спектральных диапазонах. Обобщенные этапы реализации данного метода следующие:

- аналитическое трансформирование исходных полутоновых ■ изображений в проекцию экологической карты ( проекцию Гаусса^ по известным методам, например, методам разработанным проф.И.Г.Курки ным;

- логическое сложение экологической карты фрагмента КСх7",^) и соответствующего трансформированного полутонового изображения локального масштаба £ С^У ) :

\ КС^Т)} - ¿К'Сх'М, (2)

где LK.0x-.y-) _ суммарное изображение, С) - многоспектральный характер информации;

.- фрагментация значимых экологических объектов

на ЬК'(х^) ,

{ис&.р п - (з)

где ) _ "программное окно" с заданными Хт, у7 и не

связанное с масштабом;

- применение метода синтеза для моделирования с целью ' прогноза, например, метода фазового спектра.к изображениям значимых экологических объектов. В итоге изображения, объектов :'

/

представляются в памяти ПЭВМ фазовыми спектрами > такими что

Ш • й? у]

в виле матриц случайных чисел с заданным законом распределения и математическими параметрами аналитической аппроксимации пространственного энергетического спектра, которые заносятся в каталог банка видеоданных;

- усреднение трансформированных полутоновых изображений:

■ (4) (5)

где £ ^ (х* У*) - усредненное изображения регионально-

го и локального масштабов соответственно, р - количество элементов в блоке , выбираемом, например, с учетом формата разрешения монитора и возможностей оперативной памяти ПЭВМ;

- представление преобразованных исходных данных гибридной позиционной структурой:

При этом необходимо учитывать и соизмерять' информационный объем структурированных видеоданных с возможностями внешних запоминающих устройств при записи в файлы с указателями в неоперативную базу банка (архив видеоданных) , винчестера и оперативной памяти ПЭВМ при записи в оперативную базу в файлы с указателями.

Предложен цифровой метод сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений большого информационного объема с постоянной длиной кодового слова. Данный метод с сокращением информационной избыточности путем регулирования уровня потерь дает возможность представлять космические изображения экологических объектов наиболее минимальным числом бит на элемент, выделяя на каждое значение, например, яркости минимальную вероятностную кодовую комбинацию двоичных цифр, определяемую по законам зрительно-, го восприятия с учетом 255 уровней серого для каждого блока шп . Обработка изображений блоками позволяет в большей степени сохранять пространственные корреляционные связи между соседними элементами, чем при построчном кодировании. Алгоритм метода состоит

из двух этапов, таких как сжатие и восстановление для каждого блока. Этап сжатия включает в себя:

- рас- эт параметров для сжатия по правилу:

/ • (гпа.х,-/гьСл.) ,

где ^ - максимальное число выбранных параметров кодирования; £ 5= 1,2, ... ,//-/ ;пах тцпип, - максимальное и минимальное значения в блоке;

- формирование матрицы новых значений при условии, если значения изображения О-сл принадлежат одному из интервалов

, то , где выбор С^

заключается в минимизации величины;

- вычисление средних максимальных мах.^ и минимальных значений для всех О-с^ € [пиП-, Ь^]; тах-]

- упаковка /шМ:<у> в кодовое слово. Этап восстановления заключается в :

- выделении из кодового слова упакованных значений;

- восстановление по известному- правилу (1) ;

- получение значений восстановленного изображения ¿¿^ с учетом

Разработан гибридный адаптивный метод сжатия-восстановле-. ния полутоновых черно-белых изображений большого информационно- . го объема, с переменной длиной кодового слова. В отличие от первого метода, он ориентирован на характер' изображения в каждом блоке,, накладывая ограничения на выбор параметров кодирования N , которые вычисляются по определенному правилу. Каждый блок кодируется разным числом разрядов. Далее совокупность кодовых . слов рассматривается как двоичная строка длин одинаковых битовых последовательностей. Алгоритм метода включает в себя этап сжатия, состоящий из следующих шагов:

- задание порогов $ :

^.= ¿•¿56/", (8)

где С = 1,2, ... ,М-1 ; М - оптимальное количество параметров, выбираемых, например, с учетом // .первого метода;

- определение параметров кодирования // , при условии, если /1штах-т1п, принадлежит одному из интервалов

С У>>],■■■,%1 . тоД/=2; , где 2£- присваивается в за-

, выполняемых (7)

висимости ог величины ;

- вычисление по форьуле (7);

- формирование матрицы новых значений осуществляется аналогично правилу формирования метода с постоянной длиной кодового слова;

- расчет таа^ и Шп^;

- упаковка Сц пгШл^ в кодовое слово;

-.совокупность кодовых слов рассматривается как двоичная строка, сами элементы которой.не сохраняются, а хранятся только длины одинаковых битовых последовательностей.

Алгоритм восстановления изображения содержит шаги:

- восстановление одинаковых битовых последовательностей;

- выделение из кодового слова параметров блока: /яяг;

- определение размаха: ;

- вычисление ^ по аналогично^ правилу из этапа сжатия;

- расчет количества бит & на матрицу новых значений для блока и выделение ее из кодового слова, при условия,если А/'Ъ , то:

(Э)

- восстановление по правилу (7) ;

- задание элементов восстанавливаемого изображения с учетом . "

Четвертая глава посвящена разработке информационной технологии создания и функционирования банка видеоданных для космического экологического мониторинга, включающей в себя оптимизацию возданной концептуальной модели банка, алгоритм реализации работы каталога и принципы создания и функционирования банка видеоданных.

Концептуальная модель банка видеоданных разработана таким образом, чтобы быть оптимальной, т.е. оставаться стабильной при изиэнении представления о данных, ©с физического хранения и организации, а также увеличиваться при включении дополнительных типов данных. Она тесно взаимосвязывает логические структуры гибридного позиционного представления изображений экологических объектов и сопутствущей информации в единой модели С рис.1 ). Структура сопутствупцей информации в концептуальной модели представлена четырехуровневой иерархией признаков региональных,локальных, значимых объектов и матриц фазовых спектров с использо-

2 о

й

ф

а

/СТрОЙСТВ£

ввода -вывода информа ции

я ё к

о »

а

а

№ о

ф о

Блок обработки видеоданных

3

Блок

ввдеоданных

Изображение регионального МАГСШТЛГП

I

Изображение Изображение

экологической локального

киптм ияппттяЛя

/ >

Матрицы Изображение

фазовых "значимый

спектров фрагмент"

Блок вывода результатов обработки

Сопутстству-ицая информация регионал! но го масштабе

Сопутству -щая информация локально-

I

Ск>путству -ющая информация значимых фрагментов

Блок сопутствующее информации

Сопутству -ющая информация фазовых

спектров ____1

хс

л

Блок обновления сопутствующей

информации

<2 I

ванием классификации характеристик видеоданных в виде линейных комбинаций условных распределений. Объединение двух логических структур позволяет реализовывать функции обновления и пополнения хранимых изображений, экологических карт н .сопутствующей информации.

разработан алгоритм каталога банка видеоданных, который основан на четырехуровневой модели сопутствующей информации и обеспечивает интерфейс высокого уровня с архивом видеоданных. Каталог банка видеоданных представляет собой структурированную сопутствующую информацию( идентифицирующие, семантические и синтаксические признаки), поиск которой осуществляется как по идентифицирующим признакам, так и по совокупности признаков. Логическая структура каталога поддерживается программными средствами реляционных систем управления, например, СУБД типа ¿Завез* "Карат", системы типа С&рреъ и др. Работа пользователя строится на основе меню. Внешняя модель каталога построена по иерархическому принципу, позволяющему пользователю быстро и ясно представлять себе природную иерархическую взаимосвязь экологических объектов и задачи научных исследований. Внутренняя логическая структура реализована по реляционному принципу с помощью командных файлов, которые представляют собой совокупность команд (действий, выполняемых, в данном случае СУБД) и ■файлов (сопутствующей информации, на которые воздействуют команды). Внутренняя логическая модель пользователю не доступна, он оперирует данными только с внешней моделью. Каталог банка видеоданных работает в трех режимах: последовательного чтения записей (для пользователя и администратора банка,) .поиска по совокупности атрибутов (для пользователя и администратора), редактирования с целью обновления и пополнения хранимой информации (только для. администратора).

Предложены принципы технологии создания и функционирования банка видеоданных для космического экологического мониторинга. Данная информационная технология основана на разработанной концептуальной модели банка видеоданных. Она включает два основных этапа: этап "создания и этап функционирования' банка, состоящих из пяти блоков: блок выбора и ввода информации; блок предварительной обработки, реализующий разработанные гибридный позиционный метод представления изображений экологических объектов и метод сжатия-восстановления с постоянной (переменной) длиной кодового слова; блок архивирования информации;

блок поиска сопутствующей информации , восстановления видеоданных и обработки (анализа) информации; блок вывода результатов обработки. Предлагается три режима работы банка видеоданных: режим подготовки банка для функционирования; режим работы пользовате.я; режим пополнения и обновления информации (рис.2,).

В пятой главе проведен выбор основных аппаратных средств для банка видеоданных, рассмотрены оценки эффективности разработанных гибридного позиционного метода представления изображений и цифровых методов сжатия-восстановления с постоянной (переменной) длиной кодового слова, а также алгоритма реализации каталога банка видеоданных.

Выбор аппаратных средств основан на разработанных требованиях к методам создания банков видеоданных и возможностях современной техники и заключается в оценке технических характеристик с точки зрения быстродействия и требуемого объема памяти, в результате которого установлено, что в архитектуре банка могут использоваться такие основные средства, как устройства ввода-вывода с быстродействием порядка 106эл/сек или Ю6 Гц и-более, новые модели ПЭВМ с возможностями расширения оперативной памяти порядка десятков мегабайт и более, адаптеры типа Y&A , мониторы высокого разрешения от 512x512 точек и выше, современные модели процессоров (сопроцессоров) типа 80386 (80387) ,80486' (80487) и выше, запоминающие устройства типа оптических дисков с емкостью от единиц гигабайт и более, магнитные диски с емкостью порядка сотни мегабайт и более.

Оценка эгбфективности гибридного позиционного метода представления изображений проведена на основе разработанных требований к методам представления изображений экологических объектов. В результате эксперимента обнаружено, что данный метод удовлетворяет всем этим требованиям, которые в итоге сводятся к количественным мерам оценки по критериям: коэффициент сжатия, время структурирования и оперативность работы со структурированной видеоинформацией. Это объясняется тем, что такие требования как возможность удобного и быстрого доступа к значимым экологическим объектам и фрагментам, быстрых локальных и глобальных операций по обработке изображений и решения задач пред-: меткой области, реализованы самим разработанным методом представления изображений. Установлено, что гибридный-позиционный метод может обеспечить: коэффициент сжатиятС=2 ... 10 раз., а при использовании в структуре вместо значимых объ'ектов только

• Рис.2 .Информационная технологическая схема банка видеоданных.

матриц фазовых спектров значимых объектов при решении задач синтеза изображений с целью прогноза ■&= 30 ... 200 раз по отношению к исходному рассчитанному объему; время структурирования ilçrp = 3 се. ... 12 мин., определяемое в зависимости от формата ввода изображений и количества значимых объектов, временем аналитического трансформирования, временем логического сложения, временем фрагментирования, временем усреднения и временем полу- . чения фазового спектра; оперативность работы со структурированными видеоданными порядка = I ... 2 сек., которая определяется в данном случае временем визуализации через прямой доступ к регистрам видеобуфера ПЭВМ к каждой логической единице представления.

Эффективность разработанных цифровых методов сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений оценена с использованием критериев: коэффициент сжатия; числа бит на элемент; НСКО, которая наиболее надежна и часто используется в качестве критерия верности воспроизведения изображения в следующем виде:

HcmÊiiAcj - е^Г/ША/Г, m j=( ê'*

где «Д;- исходное и восстановленное изображения соответственно. НСКО характеризует степень отклонения восстановленного изображения-от эталонного и обычно выражается в процентах. В результате эксперимента путем регулирования уровня потерь' установлено, что для космических многоградационных полутоновых черно-белых изображений типа: "горы", "пашня","тундра" и "орошаемые поля" с форматом ввода 512x512 элементов, квантованного 8 битами' на элемент с 256 уровнями серого, для блоков размером от 2x2 до 8x8 элементов, цифровой метод сжатия-восстановления с постоянной длиной кодового слова имеет коэффициент сжатия до 6,4 и НСКО от 0,001 до 1,8 % , а цифровой гибридный адаптивный метод сжатия-восстановления с переменной длиной кодового слова достигает коэффициента сжатия до 12,8 и НСКО. от 0,001 до 1,8 % , быстродействие восстановления данных методов составляет порядка I секунды йри.прямом доступе к регистрам видеобуфера.

Для исследования оперативности функционирования каталога банка видеоданных был принят критерий, наиболее полно отражаю-

щий быстродействие алгоритма, такой как суммарное время доступа к хранимой информации по каждому из трех режимов работы каталога I "чтения", "поиска",•"редактирования"). Установлено,что при оценке оперативности каталога с принятым количеством записей первого уровня - I, второго - 10, третьего - 10, четвертого - 10, время доступа к одной записи каждого из четырех уровней каталога составляет порядка 0,5 ... I сек., суммарное время доступа ко всем записям четырех уровней равно в режиме: . "чтение" - около 3 сек ... 3,5 мин., "поиска" - порядка 3 сек ... 7 мин., "редактирования" - около 3 сек ... 3,3 мин. Таким образом, алгоритм обеспечивает пользователю оперативную работу, но при организации каталога банка видеоданных необходимо учитывать суммарное время доступа.

Заключение содержит краткий перечень основных теоретических и прикладных результатов, полученных в диссертационной работе. ' . _ .

В приложении представлены: акт о внедрении методов созда- • ния банков видеоданных для космического экологического мониторинга, таблицы результатов исследования экологических объектов и технических характеристик космической аппаратуры.

В.диссертации были получены следующие основные результаты:

1. Теоретически и экспериментально обоснована необходи-■ мость учета при организации таких предметно-ориентированных

систем, как банки видеоданных для космического экологического мониторинга, выявленных особенностей объектов контроля: большого информационного объема космических видеоданных порядка З'Ю9... 7Ч0*3 бит/год; площадного характера изображений;ком-плексного характера объектов; неоднородной структуры изображений; возможности частых случаев неоднозначного интерпретирования, при распознавании образов по определенным предикатам однородности; пространственной трехуровневой иерархической организации изображений.

2. Проведенные исследования, анализ и оценка экологических объектов, путей описания и хранения изображений позволили разработать требования к методам создания банков видеоданных: к методам представления изображений, выбору реляционной системы управления, организации каталога и функционирования банков видеоданных, состоящих в необходимости минимизации требуемого объема памяти, повышении быстродействия и адаптации к пользова-

телю неспециалисту.

3. Разработан гибридный позиционный метод представления изображений экологических объектов в банках видеоданных для решения задач анализа, контроля и прогноза ситуации, заключающийся в представлении космических изображений усеченной пирамидой с четырьмя уровням* иерархии, экспериментальная проверка которого показала, что о., позволяет достигать коэффициента сжатия до 2...10

раз и до 30...200 раз ( используя только матрицы фазовых спектров).

4. Обоснован и разработан цифровой метод сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений с постоянной длиной кодового слова, представляющий изображения с учетом 256 уровней серого возможно минимальной кодовой комбинацией двоичных цифр на блок, позволяющий получать коэффициенты сжатия до 6,4 раз и НСКО: 0,001 ...1,8$ с высоким быстродействием.

5. Разработан цифровой гибридный адаптивный метод сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений с переменной длиной кодового слова, который в отличие от метода с постоянной длиной кодового слова,, использует алгоритм, ориентированный на характер изображения с дополнительной минимизацией кодовых слов с коэффициентом сжатия до 12,8 раз.

6. Предложена концептуальная модель банка видеоданных, заключающаяся во взаимосвязи моделей гибридного- позиционного представления изображений и сопутствующей информации, имеющей четырехуровневую организацию признаков изображений в виде линейных коубина ций.условных распределений.

7. Разработан-алгоритм каталога банка видеоданных, заключающийся в описании функционирования четырехуровневой модели сопутствующей информации на уровне командных файлов реляционной системы управления, обеспечивающий интерфейс высокого уровня с архивом видеоданных и работу пользователю в оперативном режиме.

.8. Предложена информационная технология функционирования банков видеоданных, основанная на концептуальной модели банка, реализующая два основных этапа (создания и функционирования ), три режима работы (подготовки; пользователя; пополнения и обновления), содержащая пять функциональных блоков ( выбора и ввода данных; предварительной обработки; архивирования; поиска, доступа и обработки (анализа.) данных; вывода результатов).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ I. Лонский И.И., Остапенко Е.А. и др. Разработка обучающих прог-

рамм для подготовкиспециалистов в области геодезии, аэрофотосъемки и картографии. - Научно-технический отчет по теме * 105 г/б,Ч.2, » г.р. 01.88.0005225, инв. * 1218, 1991, 64 с.

2. Лонекий И.И., Остапенко Е.А. Видеобаза для экологического мониторинга". - Тезисы докладов Международной конференции "Проблемы графической технологии",*Ч.2, Севастополь, 1991, с. 94-95.

3. Бондур В.Г., Кулаков В.В., Остапенко Е.А. и др. Научно.-тех-нические предложения на создание государственной системы дистанционного зондирования Земли в природно-ресурсных и экологических целях. - Научно-технический отчет по теме "Система ДЗЗ-2005", инв.

№ 40/67, 1991, 287 с.

4. Бондур В.Г., Аржененко Н.И., Остапенко Е.А. и др. Технические предложения использования космических средств двойного применения в интерес&х создания системы дистанционного зондирования Земли из космоса. - Научно-технический, отчет по теме "Комета-ДЗЗ",ГЭ9^66с;

5. Остапенко Е.А., Лонекий И.И. Видеобазы изображений для экологического мониторинга. - Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 1992, »1, с. 69-80.

6. Бондур В.Г., Калинников В.А., Остапенко Е.А. и др. Исследование фоново-целаврй обстановки в оптическом и СВЧ диапазонах для решения задач обнаружения аномалий морской среды и динамически излучающих объектов. — Научно-технический отчет по теме "Сияние-1"» инв. * Б/10727, 1992, 210 с.

7. БокЬур В.Г., Лонский Й.И., Остапенко Е.А. Модель видеобазы для обеспечения экологического мониторинга. - Известия вузов.Геодезия и аэрофотосьемка, 1993, * 1-2, с. 139-151.

8. Малинников В.А., Остапенко Е.А. и др. Разработка и внедрение системы космического мониторинга природной среды. - Нау.чно-тех нический отчет по теме № ИЗ г/б, №г.р. , 1993, с.

9. Лонский И.И., Остапенко Е.А. Организация банков видеоданных ¿пя охраны окружающей среды. - Тезисы докладов Международной конференции "Высокие технологии в'машино- и приборостроении", Саратов, 1993, 65 с.

. 10; Остапенко Е.А., Кужелев П.Д. Цифровые методы сжатия-восстановления полутоновых черно-белых изображений. - Известия вузов. Геодезия и аэрофотосьемка, 1993,, № 4, с.46 - 55.

.Подл.к-печати 12.II.93г. т.100 3ак.2453 Мое ГУГК