Аппаратно-программный комплекс дешифрирования данных дистанционного зондирования

лесохозяйственное, рекреационное и другие — сопровождаются не только получением желаемых результатов, но и разветвленными экологическими, эколого-экономическими и социальными последствиями [1,4,16,47,49]. Возникновение этих последствий предопределило кризисную ситуацию во многих регионах и на земном шаре в целом.

Изменение стратегии природопользования, непрерывное ее совершенствование с целью преодоления негативных экологических, эколого-экономических и эколого-социальных последствий в различных регионах Земли и в глобальном масштабе — основная научная проблема экологической оптимизации природопользования.

Выявление законов взаимодействия компонентов биосферы и геосферы требуют междисциплинарных исследований значительной сложности.

Решение глобальных экологических задач требует создания и систематического использования глобальной системы наблюдений с использованием как обычных, так и спутниковых средств наблюдений. Причем в решении экологических и географо-геологических проблем все возрастающую роль играет комбинированное использование как обычных и спутниковых систем наблюдения.

Естественно, что задача изучения Земли как целостной природной системы может быть решена только на основе широкого применения космических средств наблюдения, которые базируются на использовании методов и аппаратуры дистанционного зондирования [47,49].

Под дистанционным зондированием обычно понимают различные виды фотографических, телевизионных, спектральных, лидарных, тепловых, радиолокационных и других видов съемок атмосферы, поверхности Земли и Мирового океана с наземных, судовых, аэрокосмических и других носителей с целью изучения их состояния или тематического картографирования.

В решении фундаментальных научных задач и практическом использовании материалов космических съемок для природно-ресурсных и экологических исследований достигнуты определенные успехи. Созданы космические средства, оснащенные аппаратурой дистанционного зондирования, работающей в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения: от ультрафиолетового до радиодиапазона. Они предназначены для решения задач метеорологии, прогноза погоды и климата, океанографии, изучения и картографирования природных ресурсов Земли и контроля состояния окружающей среды [47,49,51].

Автоматические искусственные спутники Земли (ИСЗ), с установленной на них фотографической, телевизионной и многоспектральной сканирующей аппаратурой, являются основными средствами постоянного контроля за состоянием природной среды нашей планеты и динамикой ее изменения. К ним относятся постоянно действующие космические системы «Метеор», Метеор-Природа", «Ресурс-01», «Landsat», «NOAA», «SPOT», «Космос» и др.

Согласованное с потребностями наиболее острых проблем экологии и экономически оптимизированное развитие средств дистанционного зондирования (ДЗ) включает четыре наиболее важных (и взаимосвязанных) направления разработок [47,51,66]:

Оптимизация спутниковых наблюдений и наземной наблюдательной сети.

Проблемы геоэкоинформатики (функция ценности спутниковой информации для экологических целей, информативность данных измерений, технические средства обработки данных с использованием принципов распознавания образов, информационных мер, текстурного анализа, априорной информации, экспертных систем и др.).

Имитационное моделирование геофизических и биологических процессов с анализом временных рядов данных спутниковых наблюдений.

Теория предсказуемости глобальных изменений на основе анализа временных рядов наблюдений и геоинформационных моделей.

Наиболее значимой на сегодняшний день представляется проблема дешифрирования информации, полученной в результате аэрокосмических съемок. Информативность данных дистанционного зондирования чрезвычайно велика, но коэффициент ее полезного использования пока еще остается малым из-за сложности обработки. В то же время преимущество таких систем делает их важными при организации автоматического контроля за состоянием природной среды. Все вышеизложенное и обуславливает актуальность тематики диссертации. И хотя данная работа является частью планомерных работ по созданию и внедрению подобных систем, ее выполнение продвинуло вперед разработку подобных систем. Повышение достоверности дешифрирования, расширение перечня объектов и свойств, доступных автоматизированному дешифрированию, все это предмет дальнейших исследований.

Целью диссертационного исследования являлось создание единого технологического цикла обработки данных дистанционного зондирования и объединение отдельных разработок в прикладном комплексе автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования, обеспечивающем анализ аэрокосмических изображений и данных спектрометрии образцов растительности.

Методы исследования включали в себя поиск новых алгоритмов обработки изображений и их экспериментальную проверку на практикеисследование разработанных алгоритмов на предмет практической ценности и информативностипоиск путей применения разработанных методов и алгоритмов обработки аэрокосмических изображенийэкспериментальное исследование различных параметров спектра на предмет их пригодности для восстановления по ним химического состава образцов растительности.

Научная новизна работы. Созданы оригинальные алгоритмы непараметрического сегментирования изображений, на основании которых разработано программное обеспечение, позволившее реализовать методику полуавтоматического картографирования определенных типов растительности по космическим спектрозональным изображениям.

Создана методика и на ее основе программное обеспечение для определения содержания тяжелых металлов в некоторых видах растительности по найденным информативным параметрам их спектров отражения.

Разработан не имеющий аналогов аппаратно-программный комплекс, позволяющий проводить полуавтоматическое картографирование растительности и определение содержания тяжелых металлов в некоторых видах растительности дистанционными бесконтактными методами.

Положения. выносимые на защиту:

1. Методика и основанное на ней программное обеспечение для определения содержания тяжелых металлов в некоторых видах растительности по найденным информативным параметрам их спектров отражения.

2. Алгоритмы непараметрического сегментирования изображений, на основании которых разработано программное обеспечение, позволившее реализовать методику полуавтоматического картографирования определенных типов растительности по космическим спектрозональным изображениям.

3. Комплексный технологический цикл с использованием вышеуказанных методик и программ, от момента получения исходных данных, до вынесения заключения на их основе.

4. Комплекс автоматизированного дистанционного экспресс-контроля за загрязнением определенных видов растительности тяжелыми металлами и полуавтоматического картографирования некоторых видов растительности.

Практическая ценность работы. Разработанный комплекс позволяет проводить полуавтоматическое экспресс-картографирование некоторых видов растительности по спектрозональным космическим изображениям, что существенно ускоряет и удешевляет процесс исследования новых районов земной поверхности. Также он позволяет вести оперативный контроль за загрязнением индикаторных растений, а опосредованно через них и почв, воздуха, воды солями тяжелых металлов, образующимися в результате промышленного производства. Комплекс открывает широкие горизонты для исследований в области разработки методов оперативного картографирования и экспресс-анализов образцов растительности.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международной научно-практической конференции «Оптика в экологии». Санкт-Петербург 27−29 мая 1997, ГОИ.- 2й Международной конференции «Экология и развитие Северо-Запада России». — С-Пб., 26−28 июня 1997. Третьей Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов. Санкт-Петербург 4−5 декабря 1998, СПбГТУ.- International conference «Geospatial Information and Agriculture», Florida, USA.- The Second William Pecora’s memorialМеждународной конференции «Прикладная оптика — 98». Санкт-Петербург 4−11 декабря 1998, ГОИ, постоянном семинаре при каф. ФЭОП СПбГЭТУ «Оптико-электронные системы в аэрокосмическом экологическом мониторинге», научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, 19 961 999гг.

Практическая реализация работы. Созданный автором прикладной комплекс автоматизированной обработки данных применяется в Ботаническом институте им. В. Л. Комарова РАН (БИН РАН) (лаборатория сравнительной экологии), Санк-Петербургском государственном электротехническом университете (кафедра физической электроники и оптико-электронных приборов), Северо-Западном управлении гидрометеослужбы Санкт-Петербурга при выполнении научно-исследовательских работ по биоиндикации загрязнения Санкт-Петербурга и области. Результаты диссертационного исследования используются в курсах лекций СПбГЭТУ («Дистанционное зондирование природной среды», «Оптико-электронные системы»). Кроме того, результаты данной диссертационной работы нашли применение на кафедре физической электроники и оптико-электронных приборов при выполнении работ по темам: ГР/ФЭОП-13 «Оптико-электронные системы дистанционного зондирования», ГР/ФЭОП-14 «Развитие и поддержка совместного учебно-научного центра «Оптико-электронные системы в аэрокосмическом экологическом мониторинге», ГР/ФЭОП-17 «Непараметрические методы сегментирования 9 многоспектральных аэрокосмических изображений для экологического картографирования» и др. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

I Существующие атаратура м методы.