Главная » 2014 » Июнь » 19 » Скачать Коррекция цифровых космических изображений на основе верифицирующего моделирования. Ушакова, Наталья Николаевна бесплатно
5:52 PM
Скачать Коррекция цифровых космических изображений на основе верифицирующего моделирования. Ушакова, Наталья Николаевна бесплатно
Коррекция цифровых космических изображений на основе верифицирующего моделирования
Диссертация
Автор: Ушакова, Наталья Николаевна
Название: Коррекция цифровых космических изображений на основе верифицирующего моделирования
Справка: Ушакова, Наталья Николаевна. Коррекция цифровых космических изображений на основе верифицирующего моделирования : диссертация кандидата технических наук : 05.13.01 Белгород, 2004 255 c. : 61 04-5/1604
Объем: 255 стр.
Информация: Белгород, 2004
Содержание:
Введение
Оглавление
Глава 1 Анализ математической модели формирования видеоизображения при дистанционном зондировании
Земли
11 Характерные аспекты использования результатов дистанционного зондирования
12 Особенности отображения объектов антропогенного происхождения
13 Математическая модель формирования изображения по данным радиолокационного аэрокосмического зондирования
14 Математическая модель формирования изображения по данным дистанционного зондирования оптического диапазона
15 Особенности формирования изображений в инфракрасном диапазоне при дистанционном зондировании
16 Проблемы использования материалов дистанционного зондирования
17 Методология работы, цели и задачи исследования
Выводы к Главе
Глава 2 Метод цифровой коррекции видеоданных по опорным ориентирам
21 Распознавание образов объектов антропогенного происхождения и моделирование эталонов
22 Фильтрация образов объектов антропогенного происхождения
23 Коррекция видеоданных по опорным ориентирам
Выводы к Главе 2
Глава 3 Разработка верифицирующих алгоритмов
31 Общая схема построения верифицирующих алгоритмов
32 Верифицирующие градиентные фильтры
33 Вариационный метод синтеза верифицирующих градиентных фильтров
34 Полнота набора опорных ориентиров
Выводы к Главе 3
Глава 4 Критерии анализа информации при обработке дистанционного видеоизображения
41 Критерии выбора порогов в задаче фильтрации и распознавания опорных ориентиров
42 Разграничение задач коррекции разрешения и контрастирования
43 Коррекция разрешения и информационная пропускная способность тракта
Выводы к Главе 4
Введение:
Информационное обеспечение задач экологического мониторинга, строительной индустрии, разведки и контроля природных ресурсов на современном этапе тесно связано с развитием геоинформационных систем, а также средств их поддержки, включая системы космического зондирования Земли [20,23,44,45,89,91,107,118].
На современном этапе космические методы исследования природной среды характеризуются систематической и планомерной съемкой земной поверхности. При проведении такого вида работ используются и фотографические системы получения изображения, и фототелевизионные, и радиолокационные, и радиотепловые с привлечением цифровых методов формирования и обработки космических изображений [22,119].
Зондирование из космоса позволяет за короткое время получать легко обозримый и достаточно точный материал о значительной территории земной поверхности. Так, например, в ходе работ космического корабля "Союз-22" было сделано около 2,5 тысяч космических снимков. Если эту работу выполнять с использованием самолета, временные затраты составили бы почти десятилетие [126].
Высокая обзорность космических фотоснимков позволяет выявить пространственные закономерности и взаимосвязи явлений, наблюдать динамику изменения природной среды на больших площадях. Космический снимок является документом многоцелевого и межотраслевого использования (обновление топографических карт, получение данных по гидрогеологии и состоянию почв, инвентаризация лесов, контроль окружающей среды [124]). Как правило, целью научно-технического проекта исследований и изысканий с привлечением космических платформ является, по крайней мере, двадцать направлений, отвечающих запросам гидротехнического строительства, горнодобывающей промышленности, растениеводства и животноводства, лесного хозяйства, нефтяной промышленности [23,27,62,109,161].
По дымовому шлейфу можно определить источник загрязнения. Вокруг объектов химической, цементной, металлургической промышленности на многие километры наблюдаются негативные изменения растительности -увядание, замедленное развитие и, возможно, исчезновение некоторых видов. Если по наземным данным можно составить довольно приблизительную картину влияния промышленности на природную среду, то на космических снимках такая градация определяется довольно четко [22,96].
Исследование качества окружающей среды, ее улучшение являются основными целями на всех стадиях освоения территории. Для этого существуют тематические карты обстановки района исследования, которые составляются на основе космических снимков [162].
Космические снимки отвечают большинству требований, предъявляемых к источникам информации, на основе которых могут составляться тематические карты: генерализация изображения, объективность, отражение возможных изменений, возможность дообработки с использованием приемов автоматизации и методик, применяемых для составления карт. В настоящее время актуально создание различных отраслевых тематических карт, в основном природоресурсных - геологических, почвенных, лесных, геоботанических и др. Однако, необходимо отметить, что карт непосредственно используемых в градостроительстве, еще недостаточно. Разработка содержания таких карт и методика их составления являются одной их важных и трудных задач современной картографии [89,91,93,119].
И, тем не менее, материалы космической съемки могут быть использованы на всех стадиях разработки проектов освоения территорий. Они позволяют решать большинство задач, а, кроме того, появляется возможность перенести часть работ, выполняемых в натуре, в камеральные условия, что дает ощутимый экономический эффект. По космическим снимкам можно изучать динамику процессов, как, например, интенсивность движения городского транспорта, контролировать ход строительства и состояние крупных промышленных объектов, степень загрязнения почвы и водоемов в ходе строительства в результате воздействия различного вида технологических факторов [21,49,69,126,127].
Пространственная модель, созданная с помощью космических снимков, позволяет выбирать оптимальные решения при реконструкции городов, определении трасс транспортных магистралей, нефтяных и газовых трубопроводов (за счет наглядности и большой точности воссоздаваемой модели) [20,85,91,135].
Отдельные снимки не всегда удобны для использования в практической деятельности. В связи с этим согласно требуемой точности измерений составляются такие виды фотодокументов как фотосхема, фотоплан, топографическая фотокарта [96,108,136,137,148,149,158].
В особенности градостроительное проектирование базируется на достаточно качественных картографических материалах в части их временного соответствия действительному состоянию местности. Однако, обновление топографических карт достаточно длительный и трудоемкий процесс, поэтому в практике не всегда используются материалы, отражающие динамику изменения местности. Космическая съемка открыла широкие перспективы для своевременного обновления топографических карт. При относительно небольших изменениях на местности по космическим снимкам получившуюся ситуацию наносят на так называемые дежурные карты. При значительном изменении ситуации производят ее обновление, выполняя тот же комплекс работ, что и при аэрофототопографической съемке. Методы и технология обновления карт на основе материалов космического зондирования в настоящее время развиты достаточно широко [23,58,80,127,137,171].
Космические снимки содержат большой объем данных как о планировке и застройке жилых и промышленных массивов, так и о структуре местности, наличии природных и искусственных водоемов, состоянии растительности, наличии полезных ископаемых и др. Все перечисленные сведения важны при изучении урбанизированных территорий в аспекте градостроительных исследований. Наиболее эффективно использование космической съемки при решении таких важнейших проблем, как разработка схем расселения на территории регионов и генеральной схемы расселения на территории страны, составление схем развития и размещения производительных сил на территории экономических районов, выявление комплекса оценочных характеристик территории при составлении проектов районной планировки, проектирование пригородных зон, выявление градостроительной ситуации в городах (застройка, транспортные пути, инженерные сооружения, зеленые зоны и т.п.). Как показывают практические работы, для изучения населенных пунктов наиболее приемлемы космические снимки среднего разрешения, увеличенные в 10-15 раз. Такие снимки позволяют ясно видеть границы изучаемых территорий, общую схему планировки, характер застройки, возможные особенности планировочной структуры и функциональные зоны - промышленную, жилую с малоэтажной застройкой, новостройки с высокой этажностью и т.п. Используя снимки, сделанные в разное время можно увидеть динамику развития городов по таким показателям, как интенсивность роста за определенный период, состояние транспортной сети, уровень загрязнения атмосферы, почвы и водоемов по физическим, химическим и гидробиологическим показателям. Так как космические снимки регистрируют почти все виды загрязнений воздуха, воды и почвы, то систематическое их исследование дает достаточно полную картину всестороннего состояния изучаемой территории.
Разрешающая способность современных космических снимков повышается с каждым годом, но не может еще в полной мере обеспечить полноценное обновление планов городов. Естественно, каждому уровню разрешения на снимке можно поставить в соответствие свой ряд задач, решаемых в интересах градостроительства. Доверительные характеристики параметров, замеряемых на снимках непосредственно связаны с повышением уровня их разрешающей способности. Носители космических снимков с у разрешением 2 м обеспечивают обзор на площади S10xl2 км . Обзор на небольших площадях обеспечивается снимками более низкого разрешения. Осуществление обзора на широкой площади с хорошим разрешением требует многократности" орбитальных наблюдений, что в свою очередь влияет на планирование орбитальных экспериментов, нивелирование расхождений из-за разновременности и атмосферных условий съемок, нормализации и т.д. [1,3,6,120,139]. Методы обеспечения возможного разрешения на синтезируемом по данным дистанционного зондирования (ДЗ) космическом изображении развиваются непрерывно и вряд ли актуальность этой задачи снизится в ближайшие годы [8,14,19,162,166,169,172].
Выполнение основных видов коррекций: радиационной, радиометрической, приборной, геометрической, на угол места источника (солнца, радиолокатора), собственно алгоритмов фильтрации, фотограмметрии, многомерных преобразований, поддержки процессов синтеза апертур в конечном итоге посвящается (кроме задачи синтеза изображения как такового) алгоритмам восстановления подавленной в тракте дистанционного зондирования (ДЗ) тонкой структуры образов наблюдаемых объектов и препарированию изображений на регулярные и стохастические (шумовые) составляющие [25,44,46].
Связность объектов антропогенного происхождения, устойчивое взаиморасположение (с соблюдением законов пропорциональности) их структурных составляющих, протяженность и регулярность границ (альтернативно границам образований неантропогенного происхождения) в определенной степени облегчает задачу распознавания таких объектов даже в так называемой сложной фоношумовой обстановке на генерализованном изображении исследуемого района. Этот факт позволяет синтезировать, по крайней мере, набор отдельных структурных составляющих, присущих объектам антропогенного происхождения, взятым в качестве эталонов. Сравнение этих эталонов с реально предоставленными на снимках объектами существенно поможет иметь представление о гипотетической функции (передаточной характеристике) дистанционного тракта, адекватная компенсация погрешностей которой дает возможность проведения корректировки так называемой разрешающей способности снимка для повышения его полезности на всех стадиях технологических проектов, оценки состояния окружающей среды и т.п.
Актуальность работы заключается в решении задачи улучшения результата дистанционного зондирования объектов антропогенного происхождения без изменения технических характеристик сложившегося дистанционного тракта (без замены спутника, без замены авиааппаратуры, без замены дистанционных датчиков и процессоров, включая алгоритмы базовой обработки данных на центрах приема информации).
Цель работы: Построение метода цифровой коррекции линейной разрешающей способности пространственно распределенных данных (изображений) на основе использования опознаваемых опорных ориентиров -объектов антропогенного происхождения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
• исследование влияния объема параметров моделей опорных ориентиров и достоверности их распознавания на уровень коррекции линейной разрешающей способности тракта;
• исследование полноты пространства опорных ориентиров;
• разработка и исследование верифицирующих моделей тракта дистанционного зондирования;
• разработка пакета программ, реализующего предложенный метод коррекции пространственно распределенных данных.
Практическая ценность работы:
Разработана методика коррекции линейной разрешающей способности цифровых космических изображений, реализация которой позволяет расширить область применения космического снимка и снизить временные и экономические затраты в работе систем орбитального наблюдения.
На защиту выносятся: метод построения и использования эталонов распознаваемых образов для коррекции разрешения на изображении; алгоритм модифицированного веерного фильтра границ образов объектов антропогенного происхождения; метод вычисления функции рассеяния точки на основе набора опорных ориентиров; метод верифицирующего моделирования тракта дистанционного зондирования на основе малого возмущения вычислимого представления исходной модели.
Научная новизна работы заключается в:
• методике коррекции линейной разрешающей способности цифрового космического снимка по результатам сравнения распознаваемых на снимке образов с их эталонами;
• модификации веерного фильтра с применением модального нечеткого исчисления на этапе установки порогов;
• получении аналитической зависимости полезного расширения радиуса пространственного спектра опорных ориентиров;
• методике верифицирующего моделирования тракта ДЗ на основе малого возмущения операции умножения и параметров градиентной фильтрации.
Реализация и внедрение результатов. 1. Разработанный метод коррекции линейной разрешающей способности изображения применен в НИИ Аэрокосмической информатики Азербайджанского Национального Аэрокосмического Агентства при выполнении работ по созданию программного комплекса улучшения репрезентативных свойств космического изображения. 2. Разработанная методика верификации данных применена комбинатом «КМАруда» при обработке дистанционных данных рельефа шахтной выработки. 3. Разработанные алгоритмы обработки графической информации внедрены в учебный процесс дисциплин «Компьютерная графика», «Моделирование» Белгородского филиала Совеременной Гуманитарной академии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1. IV международной научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (РГНИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, Москва, Звездный городок, 2000).
2. Международной научно-практической конференции «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века» (БелГТАСМ, Белгород, 2000).
3. Региональной научно-практической конференции «Современные проблемы технического, естественнонаучного и гуманитарного знания» (БИИММАП, Губкин, 2001).
4. Международном технологическом конгрессе «Современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (ОГТУ, Омск, 2001).
5. Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (ПДЗ, Пенза, 2002).
6. Региональной научно-практической конференции «Космическая эра цивилизации и образование» (БелГУ, Белгород, 2002).
7. Международной научно-методической конференции «Научно-методические и практические аспекты подготовки специалистов в современном техническом вузе»(БелГТАСМ, Белгород, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных трудов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 172 названий и 4 приложений. Текст изложен на 190 страницах, содержит 49 иллюстраций и 8 таблиц.