Программное обеспечение компьютерного анализа геоизображений на основе данных дистанционного зондирования Земли

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 векторного 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 наукегеоиконике, 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 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 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), Региональных 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 объединение 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 96−05−64 727 «Геоинформационные процессы: исследование и моделирование» (рук. А.К.Черкашин) и N 97−05−96 420 «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 больших систем энергетики».

Личный вклад автора. Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнялись в лаборатории аэрокосмических методов исследования ИГ 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 ДДЗЗ, 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.

Выводы.

1) Разработанный пакет ВОРС используется для решения разнообразных эколого-географических задач:

— изучения урбанизированных территорий (влияние загрязнения на здоровье населения);

— исследования территорий перспективного освоения (трассы газаи нефтепроводов и территории месторождений);

— природоохранного и рекреационного зонирования территорий;

— составления карт политики землепользования особо охраняемых территорий;

— оценки мест обитания диких животных (по категориям вероятной плотности заселения) и др.

2) Возможности пакета ВОРС позволяют решать сложные задачи оценки земель, суть которых состоит в применении процедур АВОС. Достоверность решения подтверждается результатами наземных обследований.

3) Реализованные оригинальные алгоритмы расчета сложности, нарушен-ности, изменчивости земель позволили произвести оценку отдельных территорий водоохранной зоны оз. Байкал.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

К основным научным и практическим результатам диссертационной работы относится следующее.

1. Алгоритмическое обеспечение и компьютерная конвейерная технология решения эколого-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 параллеле-пипедной классификации с учетом первой разности значений пикселов с сохранением всех преимуществ этого класса методов.

5. Метод АВОС, включающий специальные алгоритмы классификации и использующий особенности оценки земли на множестве пикселов геоизображения в виде характеристик изменчивости, сложности и нарушенное&tradeтерритории;

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 задач относится следующее.

1. Дана характеристика зимнего загрязнения городов Иркутской областиИркутска, Усть-Кута, Ангарска (совместно с сотрудниками Лаборатории аэрокосмических методов исследования ИГ СО РАИ: 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.КошелевымСЭИ СО РАН), выявлена структура и динамика ареалов загрязнения дня 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 уточнения границ водоохранных зон и разработки природоохранных мер Ангаро-Байкальским бассейновым управлением (по заданию НПФ «РЭП»);

4. Выполнено ландшафтное обследование территорий перспективного освоения Дулисьминского, 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 «Русиапетролиум»);

5. Разработаны ГИС «Селенга» (ландшафтная структура территории, относительная оценка стоимости земель и их нарушенности) 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, предлагается использовать на всех этапах анализа и синтеза геоизображений от уровня представления данных до создания программных комплексов с расслоенной архитектурой и поэтапного расслоения технологии дешифрирования дистанционных данных.